Kaip vamzdžio tempimo sumažinimo procentas ant 316 nerūdijančio plieno šildytuvo apvalkalų pakeičia atsparumo įdubimams ekvivalentinį skaičių chlorido tirpaluose

Mechaninės deformacijos įtaka pasyviajai plėvelės chemijai ir inkliuziniam pasiskirstymui

The manufacturing history of 316 stainless steel sheathed electric heating tubes, particularly the percentage reduction due to cold drawing to which the tubing is subjected prior to the final annealing, has a measurable, but often ignored, effect on the intrinsic pitting resistance of the material in chloride containing media. The pitting resistance equivalent number (PREN = weight percent Cr + 3.3×Mo + 16×N) is computed from bulk chemistry and is generally a constant material attribute for a specific alloy grade . But cold drawing redistributes non-metallic inclusions, refines the grain structure and may change the effective concentration of chromium and molybdenum at the tube surface by strain-induced diffusion. High reduction percentages (>40-50%) gali sukelti masyvių mangano sulfido inkliuzų plyšimą ir susidaryti mikroplyšiams, kurie yra palankios duobių atsiradimo vietos, nepaisant masinio PREN. Šiame darbe kiekybiškai įvertinama vamzdžio tempimo % įtaka 316 apvalkalų efektyviam atsparumui įdubimui šiltuose chlorido tirpaluose ir aprašyta specifikacijų sistema, kaip pasirinkti tempimo mažinimą pagal korozijos sunkumą.

Metalurgijos ryšys tarp šalto darbo ir jautrumo įdubimams

Tūrinė cheminė sudėtis išlieka nepakitusi dėl plastinės deformacijos, kai 316 nerūdijančio plieno vamzdis yra šaltai tempiamas, kad būtų sumažintas išorinis skersmuo ir sienelės storis. Tačiau tai pakeičia tris mikrostruktūrines charakteristikas, kurios turi įtakos vietinei korozijai. Pirmasis deformacijos poveikis yra nemetalinių intarpų, daugiausia MnS ir oksidų sankaupų, pailgėjimas brėžinio kryptimi. Pailgi inkliuzai turi didesnę ištisinę sąsają su juos supančia austenitine matrica, todėl jie padidina galimybę, kad viename intarpe susidariusi duobė pasklis išilgai inkliuzijos ir matricos krašto, o ne repasyvuotų. Antra, dideli MnS inkliuzai suskaidomi sunkiais šaltais darbais (sumažėjimai > 40%), kad susidarytų mikroįtrūkimai, kurie nepataisomi vėlesniu atkaitinimu, nebent temperatūra būtų aukštesnė nei 1050 laipsnių. Šie mikroįtrūkimai veikia kaip plyšiai, sulaikantys chlorido jonus ir palaikantys lokaliai agresyvią chemiją, todėl pradeda susidaryti daug mažesnių potencialų nei masinio duobėjimo potencialas. Trečia, šaltas darbas padidina dislokacijos tankį nuo maždaug 10{sup 8} cm{sup -2} atkaitintoje medžiagoje iki 10{sup 11} iki 10{sup 12} cm{sup -2} 40 % šalto tempimo medžiagoje. Dislokacijos yra didelės energijos sritys, kuriose pasyvioji plėvelė yra plonesnė ir labiau pažeista, todėl jautresnė chlorido sukeltam skilimui. Grynasis poveikis yra tas, kad dviejuose vamzdeliuose su lygiu PREN iš birių chemijų gali būti 10–15 oC duobių temperatūros skirtumai vien dėl šaltojo tempimo sumažinimo procento skirtumų, taikomų prieš galutinį atkaitinimą.

Atkaitinimas po piešimo kaip svarbus atkūrimo žingsnis

Dėl šalto darbo sukeltas atsparumo įdubimams praradimas nėra nuolatinis. Visiškas tirpalo atkaitinimas 1040-1100 laipsnių temperatūroje ir greitas gesinimas vandeniu lemia grūdelių struktūros perkristalizaciją, pašalina dislokacijas ir pailgų inkliuzų sferoidizaciją. atkaitinimas atkuria labai šaltai tempto vamzdžio-atsparumą įdubimams į lengvai tempto, tos pačios masės chemijos vamzdį. Tačiau pramoninė šildytuvo apvalkalų gamybos praktika labai skiriasi. Kai kurie gamintojai ištraukia vamzdžius iki galutinių matmenų, sumažindami pradinį tuščiavidurį ruošinį 60-70 %, tada atkaitindami prieš pjaustydami iki ilgio ir sulenkdami. Kiti traukia kelis kartus su tarpiniu atkaitinimu ir palieka vamzdį pusiau-arba ketvirčio-kietą (10–25 % šaltas darbas) be galutinio visiško atkaitinimo, pasikliaujant būsimo suvirinimo ir lenkimo šiluma, kad iš dalies pašalintų įtampą. Taikant pastarąją techniką, liekamasis šaltas darbas (paprastai 10-25 %) sumažina efektyviąją atsparumo duobėms ekvivalentinę vertę 2-4 taškais. Praktiškai vamzdis su tūriniu PREN=25 (pvz., . 17%Cr, 2,2%Mo, 0,06%N) šaltai apdorotu būdu elgiasi kaip PREN=22-23, todėl kritinė duobės temperatūra sumažėja 8-12 laipsnių. Esant 80 laipsnių ir tokiai pačiai chlorido koncentracijai, šaltai apdorotame vamzdyje atsiras duobių, o visiškai atkaitintas vamzdis bus pasyvus.

Brėžinio sumažinimo poveikio duobės temperatūrai ir indukcijos laikui kiekybinis įvertinimas

Kiekybiniai ryšiai buvo nustatyti atlikus laboratorinius 316 nerūdijančio plieno vamzdžių tyrimus su kontroliuojamu tempimo sumažinimu ir vėlesniais duobių potencialo matavimais 1 M NaCl 80 laipsnių kampu. Visiškai atkaitintos medžiagos (0-5 % šalto darbo) kritinis duobių susidarymo potencialas paprastai yra 300-350 mV, palyginti su SCE, o kritinė duobėjimo temperatūra (CPT) 1 M NaCl yra 55-65 laipsniai. Medžiagoms su 15 % šalto apdirbimo (ketvirtinio{32}}kietumo) CPT sumažėja iki 48–55 laipsnių. Dirbant 25 % šaltu (pusiau kietu), jis nukrenta dar žemiau iki 40-48 laipsnių. 40% šalto darbo (visiškai kieto) CPT sumažinama iki 30-38 laipsnių. Tinkamai atkaitintas 316 apvalkalas 2000 ppm 90 laipsnių chlorido vandenyje neduos 5–8 metus. Esant tokiai pačiai birių medžiagų cheminei medžiagai ir 25 % likutiniam šaltam darbui, duobės prasidės po 12–24 mėnesių tomis pačiomis skysčių sąlygomis. Indukcijos laikas iki duobėjimo pradžios yra eksponentinis, atsižvelgiant į šalto darbo procentą. Kiekvienas 5 % padidinus šaltą darbą maždaug perpus sutrumpina laiką iki pirmosios duobės tam tikroje chlorido temperatūros aplinkoje. Toliau pateiktoje lentelėje pateikiami šie tipinės 316 chemijos (PREN=25) ryšiai su įvairiomis chlorido koncentracijomis ir darbo temperatūromis.

Residual Cold Work after Drawing (%) Heat Treatment after Drawing Effective PREN (calculated) Critical Pitting Temperature in 2000 ppm Cl⁻ (°C) Time to Pit Initiation at 90 °C, 500 ppm Cl⁻ Recommended Service Environment 0-5 (completely annealed) Full solution anneal 1040 °C + quench 25 58 >8 metai Viso chlorido eksploatacija iki 3000 ppm, 90 laipsnių 5-10 Tik dalinis streso sumažinimas 24-25 53-58 5-8 metai Priimtinas naudojant vidutinio sunkumo chloridus (<1500 ppm) 
10-15 Be atkaitinimo; kaip sudaryta ketvirčio sunkus 23-24 48-533-5 metų chlorido tarnavimo laikas (<800ppm)
15-20 Be atkaitinimo, ištemptas pusiau kietas 22-23 44-48 2-3 m. Ribinis, tik mažai chloridų (<400 ppm)
20-25 Neatkaitintas, sunkiai tempiamas21-22 40-44 12-24 mėn. Netinka nuolatiniam naudojimui chloras
25-35 Be atkaitinimo; visiškai kietas 19-21 34-40 6-12 mėn. Nepriimtinas bet kokioje drėgnoje chloridinėje aplinkoje
Any , post anneal Full solution anneal after all drawing Full PREN restored 55-65 (depends on bulk chemistry) >8 metai (priklauso nuo PREN) Pageidaujamas standartas visoms korozinėms paslaugoms
Praktinis šaltojo darbo būklės ir atkaitinimo tinkamumo patikrinimas

Yra trys praktiniai 316 chlorido šildytuvų pirkėjai, siekiant užtikrinti, kad vamzdis būtų visiškai atkaitintas ir kad būtų kuo mažiau šalčio. Pirmasis yra magnetinio pralaidumo matavimas naudojant feritoskopą. Visiškai atkaitintas 316 austenitinis nerūdijantis plienas yra nemagnetinis, o santykinis pralaidumas (μr) mažesnis nei 1,02. Įtempimo-sukeltas martensitas, kuris yra feromagnetinis, susidaro šaltai apdirbant 316. Didesnis nei 1,05 rodmuo rodo mažiausiai 10-15 % šalto darbo, o 1,10 rekomenduoja 20-25 % šalto apdorojimo. Antrasis metodas yra mikrokietumo bandymas su vamzdžio sienelės dalimi. Atkaitinto 316 „Vickers“ kietumas yra 150-180 HV. Ketvirčio kietumo medžiaga yra 200-240 HV. Pusiau kietas yra 250-300 HV. Full-hard yra 320 HV ir daugiau. Trečiasis bandymas yra elektrocheminis potenciokinetinės reaktyvacijos (EPR) testas, kuriuo matuojamas jautrumo laipsnis ir šalto darbo pažeidimai. Mažesnės nei 0,5 C/cm2 EPR reikšmės rodo kruopščiai atkaitintą medžiagą, o didesnės nei 2,0 C/cm2 vertės rodo reikšmingą liekamąją deformaciją. Viso tirpalo atkaitinimo sertifikato specifikacija (temperatūra, laikas ir gesinimo metodas) kartu su maksimaliu 1,05 magnetiniu pralaidumu pirkimo specifikacijose suteikia būtiną kokybės užtikrinimą.

Šalto darbo, suvirinimo ir galutinio atkaitinimo galimybių santykis

Tipiškas gamybos apribojimas yra tai, kad po lenkimo ir suvirinimo ne visada įmanoma visiškai atkaitinti tirpalą. Ilgų U-vamzdžių šildytuvų, ypač su pritvirtintais flanšais ir termošuoliais, praktiškai negalima atkaitinti, nes aukšta temperatūra iškraipytų mazgą, oksiduotų vidinį MgO arba pakenktų nemetaliniams komponentams. Tokiais atvejais svarbiausias galutinio atsparumo korozijai veiksnys yra neapdoroto vamzdžio šalto darbo būsena prieš formuojant. Jei vamzdis turi būti pristatytas visiškai atkaitintas (nuo 0 iki 5 procentų šalto darbo) prieš lenkimą, net ir pridėjus 10–15 procentų šalto lenkimo operacijos, didžiausia liekamoji deformacija bus mažesnė nei 20 procentų. Šildytuvams, kurie turi būti naudojami sulenktus be galutinio atkaitinimo, didesnio molibdeno kiekio vamzdžių pasirinkimas (pvz., . 316L su 2,5–2,7 % Mo, o ne mažiausia 2,0 %), kompensuoja tūrinio PREN padidėjimą. Vamzdžio su masiniu PREN=27 ir 15 % likutinio šalto darbo efektyvusis PREN yra ≈ 25, toks pat kaip ir visiškai atkaitinto standarto 316. Šis metodas naudojant aukščiausios kokybės chemiją gamybos apribojimams kompensuoti būdingas dideliems, sudėtingiems šildytuvų mazgams, kai atkaitinimas po pagaminimo nėra pasirenkamas.

Išvada – atkaitinimo sąlygų apibrėžimas naudojant chemiją koroziniam naudojimui

316 nerūdijančio plieno šildytuvų su apvalkalu chlorido tirpaluose atsparumas duobėms nepriklauso nuo tūrinio PREN, kaip nurodyta tik gamyklos sertifikate. Vamzdžių gamyboje naudojamas šaltojo tempimo sumažinimas ir tai, ar po visų formavimo operacijų vamzdis visiškai atkaitinamas tirpalu, gali pakeisti efektyviąją duobių susidarymo temperatūrą 10-20 laipsnių ir laiką iki duobės pradžios pakeisti 5–10 kartų. Nepertraukiamai eksploatuojamiems šildytuvams, kurių chloriduose yra daugiau kaip 500 ppm arba aukštesnėje nei 80 laipsnių temperatūroje, pirkėjas turėtų gauti sertifikatą, kad užbaigtas apvalkalas (įskaitant lenkimus ir suvirinimo siūles) buvo visiškai atkaitintas tirpalu. Kai atkaitinimas po gamybos neįmanomas, pagrįstas pasirinkimas yra aukščiausios kokybės chemijos naudojimas (316 l su PREN didesnis nei 26 arba lygus 26) ir reikalavimas įvesti atkaitintą vamzdelį (kietumas < 180 HV, pralaidumas mažesnis arba lygus 1,02). Šiame darbe sukurta paradigma sieja vamzdžių tempimo sumažinimo % ir atkaitinimo istoriją su pastebimu atsparumu įdubimams. Tai leidžia inžinieriams pasirinkti 316 apvalkalų šildytuvų, kurie užtikrins nuspėjamą korozijos efektyvumą, o ne vien tik nuo birių cheminių medžiagų.