Для інженерів хімічних заводів і спеціалістів з технічного обслуговування, які вибирають електричні занурювальні нагрівачі для застосувань, пов’язаних із гарячими хлоридними розчинами-такими як теплообмінники з морською водою-охолодження, резервуари для концентрації розсолу та певне харчове обладнання-, явище корозійного розтріскування під напругою являє собою окремий режим відмови від загальної точкової або щілинної корозії. На відміну від рівномірного потоншення стінки, корозійне розтріскування під напругою створює розгалужені міжкристальні або міжкристалічні тріщини, які можуть проникнути через оболонку з нержавіючої сталі 316 за тижні або місяці, часто з невеликим видимим попередженням. Взаємодія між прикладеним або залишковим напруженням розтягування, концентрацією хлоридів, температурою та товщиною стінки визначає, чи прослужить дана оболонка роками чи катастрофічно вийде з ладу. У цій статті кількісно визначено, як товщина стінки змінює ризик корозійного розтріскування під напругою, впливаючи як на величину залишкових напруг від виробництва, так і на час, необхідний для поширення тріщини через стіну.
Три необхідні умови для корозійного розтріскування в оболонці 316
Корозійне розтріскування аустенітної нержавіючої сталі, як-от 316, потребує трьох одночасних умов: сприйнятливого матеріалу, критичного рівня напруги розтягування та корозійного середовища, що містить хлориди при температурах, як правило, вище 60 градусів. Клас 316 менш чутливий, ніж 304, але не має імунітету. Розтягувальні напруги можуть виникати зовні від тиску в системі чи теплового розширення, або вони можуть бути залишковими результатами виробничих операцій, таких як згинання, обжимання та зварювання оболонки. У оболонках нагрівачів процес обжимання, який використовується для ущільнення ізоляції з оксиду магнію навколо опорного дроту, створює значні окружні залишкові напруги розтягування на зовнішній поверхні трубки 316. Ці залишкові напруги можуть наближатися до межі текучості матеріалу, забезпечуючи рушійну силу для виникнення тріщин, навіть коли прикладені напруги низькі. Як тільки корозійна тріщина з’являється на ямці або поверхневому дефекті, вона поширюється зі швидкістю від 0,1 до 10 міліметрів на місяць залежно від концентрації хлоридів і температури. Тріщина продовжується до тих пір, поки товщина стінки, що залишилася, більше не зможе стримувати внутрішній тиск або поки тріщина не досягне внутрішньої стінки, що спричинить проникнення технологічної рідини та електричний збій.
Як товщина стінки змінює виникнення та поширення тріщин
Товщина стінки впливає на ризик корозійного розтріскування під напругою за допомогою двох протилежних механізмів. По-перше, тонші стінки, як правило, містять вищі залишкові напруги внаслідок того самого зменшення обтискання, оскільки холодна робота проникає в більшу частину поперечного-перерізу стіни. Оболонка товщиною 0,8 мм може мати поверхневі залишкові напруги 400–500 МПа після обтиску, тоді як оболонка товщиною 2,0 мм такого ж зовнішнього діаметра може мати лише залишкову напругу 200–300 МПа, оскільки ефект холодної обробки обмежується меншим поверхневим шаром відносно загальної товщини. Більше залишкове напруження скорочує час до утворення тріщин. По-друге, після появи тріщини час до перфорації прямо пропорційний залишковій товщині стінки для заданої швидкості поширення тріщини. Тріщина, яка поширюється зі швидкістю 0,5 мм на місяць, проникне в оболонку 0,8 мм за 1,6 місяця, але для проникнення в оболонку 2,0 мм потрібно 4 місяці. Чистий ефект створює не-монотонний профіль ризику. Дуже тонкі оболонки (менше 1,0 мм) швидко утворюють тріщини, але мають мало матеріалу для проникнення. Дуже товсті оболонки (понад 2,0 мм) повільніше утворюють тріщини, але для перфорації потрібно більше часу. Проміжні товщини 1,2–1,6 мм представляють найвищий ризик, оскільки вони починаються з помірною швидкістю, але мають достатню товщину стінки, щоб приховати зростаючі тріщини протягом тривалого періоду часу до раптового руйнування.
Порогові значення температури та концентрації хлоридів для 316 оболонок
Схильність нержавіючої сталі 316 до корозійного розтріскування під напругою в хлоридних розчинах незначна нижче 60 градусів. Між 60 і 80 градусами розтріскування відбувається лише в концентрованих хлоридах вище 1000 частин на мільйон з високими напругами розтягування. Між 80 і 120 градусами ризик стає значним навіть при помірних рівнях хлориду 100–500 ppm. Понад 120 градусів 316 вважається непридатним для будь-якого середовища,-що містить хлорид, де існують напруги розтягування, незалежно від товщини стінки. Для оболонок нагрівачів, які працюють у таких -діапазонах температур високого ризику, практична інженерна відповідь полягає в тому, щоб зменшити концентрацію хлориду нижче 10 частин на мільйон, усунути напруги розтягування шляхом повного відпалу після виготовлення або перейти на більш стійкий сплав, такий як Incoloy 825 або титан. У наведеній нижче таблиці наведено рекомендації щодо товщини стінок для оболонок 316 у хлоридній експлуатації на основі температури та концентрації хлориду, припускаючи, що залишкові напруги від обжимання неможливо усунути.
| Робоча температура | Концентрація хлориду | Рекомендована мінімальна товщина стінки оболонки 316 | Очікуваний термін служби до ризику корозійного розтріскування під напругою | Альтернативна рекомендація |
|---|---|---|---|---|
| 60-80 градусів | < 100 ppm | 1,2 мм | Низький ризик, > 5 років | 316 прийнятно |
| 60-80 градусів | 100–1000 ppm | 1,6 мм | Середній ризик, 2–4 роки | Монітор щорічно |
| 60-80 градусів | >1000 ppm | 2,0 мм | Високий ризик, 1–2 роки | Розглянемо можливість оновлення сплаву |
| 80-100 градусів | < 100 ppm | 1,6 мм | Середній ризик, 2–3 роки | Розглянемо можливість оновлення сплаву |
| 80-100 градусів | 100–500 ppm | 2,0 мм | Високий ризик, 1–2 роки | Рекомендовано оновлення сплаву |
| 80-100 градусів | >500 ppm | Не рекомендується | Непередбачуваний, < 1 року | Використовуйте Incoloy 825 або титан |
| 100-120 градусів | Будь-який виявлений хлорид | Не рекомендується | Ймовірний швидкий збій | Оновлення сплаву обов'язкове |
| >120 градусів | Будь-який хлорид | Не підходить | Неминучий провал | Змінити специфікацію матеріалу |
Модифікації конструкції для зменшення ризику розтріскування в результаті корозії без збільшення товщини стінки
Перш ніж прийняти термічний штраф більш товстої стіни, інженери повинні розглянути три модифікації конструкції, які зменшують компонент напруги розтягу в рівнянні корозійного розтріскування під напругою. Перший і найефективніший - це повний відпал готового вузла нагрівача після всіх операцій штампування і згинання. Відпал при температурі 1050 градусів з подальшим швидким охолодженням зменшує залишкові напруги приблизно на 80–90% з мінімальним впливом на стійкість до корозії. Компромісом є-можливе окислення дроту внутрішнього опору та додаткові витрати на виробництво. Друга модифікація полягає в тому, щоб указати низькі-залишкові-процеси зменшення напруги. Кілька легких проходів тиснення з проміжним зняттям напруги створюють менші залишкові напруги, ніж одноразове важке зменшення. Виробники, які спеціалізуються на-високонадійних обігрівачах, зазвичай можуть досягти поверхневих залишкових напружень нижче 150 МПа навіть у 1,2-міліметрових стінках. Третя модифікація передбачає проектування системи для мінімізації прикладених напруг розтягування. Уникнення жорсткого кріплення, яке обмежує теплове розширення, використання гнучких електричних з’єднань і розрахунок на низький тиск у системі – усе це зменшує загальну напругу розтягування оболонки. Для застосувань, де впроваджуються ці модифікації, оболонка 316 товщиною 1,2 мм може досягти прийнятного терміну служби в умовах, які можуть зруйнувати оболонку 2,0 мм із високими залишковими напругами.
Стратегії перевірки та моніторингу існуючих установок
Для обігрівачів, які вже працюють у гарячому хлоридному середовищі, вибір товщини стінки не можна змінити заднім числом. Замість цього необхідна регулярна перевірка на корозійне розтріскування під напругою. Випробування поверхні оболонки методом проникнення барвників може виявити початкові тріщини ще до того, як вони проникнуть у стіну. Для оболонок із товщиною стінки 1,2–1,6 мм при температурі 80 градусів і концентрації хлориду 500 частин на мільйон рекомендовані щоквартальні перевірки. Для більш товстих оболонок 2,0 мм або більше може бути достатньо пів-щорічних перевірок, оскільки довший час розповсюдження забезпечує більше попереджень. Моніторинг акустичних випромінювань під час роботи може виявити розтріскування в режимі реального часу, хоча ця техніка зазвичай зарезервована для критичних або-важких установок. Найважливішою тривожною ознакою є поява дрібних розгалужених тріщин на поверхні оболонки, які часто видно лише під збільшенням або за допомогою пенетранту. Як тільки спостерігаються тріщини, нагрівач слід негайно замінити, незалежно від залишкової товщини стінки, оскільки швидкість поширення може непередбачувано прискоритися.
Висновок: Управління корозійним розтріскуванням під напругою за допомогою обґрунтованої специфікації товщини стінки
Для інженерів, які обирають оболонки з нержавіючої сталі 316 для електричних занурювальних нагрівачів у гарячому хлоридному середовищі, товщина стінки є інструментом управління ризиками, а не простим параметром довговічності. Більш товсті стінки забезпечують довший час поширення тріщини, але не перешкоджають виникненню тріщини, якщо залишкові напруги високі. Більш тонкі стінки можуть ініціювати тріщини швидше, але перфорувати швидше, забезпечуючи меншу приховану деградацію. Найбезпечнішим підходом є уникати умов, коли можливе корозійне розтріскування під напругою-підтримання температури нижче 60 градусів, хлоридів нижче 100 ppm або залишкових напруг нижче 100 МПа. Коли застосування робить ці умови неминучими, товщина стінки 1,6–2,0 мм у поєднанні з повним відпалом забезпечує найкращий баланс стійкості до виникнення тріщин і запасу поширення. Для концентрацій хлоридів вище 1000 частин на мільйон або температур вище 100 градусів єдиною відповідальною інженерною рекомендацією є вибір іншого сплаву оболонки. Вартість оновлення до Incoloy 825 або титану є скромною порівняно з вартістю несподіваної несправності нагрівача, яка забруднює партію продукту, зупиняє технологічну лінію або створює загрозу безпеці через струмопровідні електричні частини, які піддаються впливу струмопровідних розчинів хлориду.
