Com influeix la selecció del gruix de la paret de la funda d'acer inoxidable 316 en el risc d'esquerdes per corrosió per estrès en entorns de clorur calent per sobre de 60 graus centígrads?

En el cas d'enginyers de plantes químiques i personal de manteniment que especifiquen escalfadors elèctrics d'immersió per a aplicacions que involucren solucions de clorur calent, com ara intercanviadors de calor refrigerats per aigua de mar-, dipòsits de concentració de salmorra i determinats equips de processament d'aliments, l'esquerda per corrosió per estrès constitueix un mode de fallada independent de la corrosió general de picats o esquerdes. A diferència de l'aprimament homogeni de la paret, l'esquerda per corrosió per tensió dóna lloc a esquerdes transgranulars o intergranulars ramificades que poden perforar una funda d'acer inoxidable 316 en setmanes o mesos, normalment amb poca advertència visible. La interacció de l'esforç de tracció aplicat o residual, la concentració de clorur, la temperatura i el gruix de la paret decideix si una funda específica persistirà durant anys o fallarà catastròficament. Aquest article quantifica l'efecte del gruix de la paret sobre el risc d'esquerdes per corrosió per tensió pel seu efecte sobre la mida de les tensions residuals de la fabricació i el temps necessari perquè una fissura es propagui a través de la paret.

Les tres condicions essencials per a l'esquerda per corrosió per estrès en 316 beines
El craqueig per corrosió per tensió d'acers inoxidables austenítics com el 316 requereix tres condicions simultànies per produir-se, un material susceptible, un nivell crític d'estrès de tracció i un entorn corrosiu que conté clorurs, a temperatures generalment superiors als 60 graus . 316 és menys susceptible a l'atac que 304, però no immune. Les tensions de tracció es poden aplicar externament mitjançant la pressió del sistema o l'expansió tèrmica o poden ser esforços residuals de procediments de fabricació com ara la flexió, l'estampació i la soldadura de la funda. L'operació d'estampació utilitzada per condensar l'aïllament d'òxid de magnesi al voltant del cable de resistència a les beines de l'escalfador imposa grans esforços de tracció circumferencials residuals a la superfície exterior del tub 316. Aquests esforços residuals poden ser tan alts com el límit elàstic del material i són el factor impulsor per a l'inici d'esquerdes a baixes tensions aplicades. La velocitat de propagació d'una fissura per corrosió per tensió en una fossa o defecte superficial després de l'inici és de 0,1-10 mil·límetres per mes depenent del contingut de clorur i la temperatura. La propagació de l'esquerda continua fins que el gruix de la paret restant és insuficient per mantenir la pressió a l'interior o l'esquerda penetra a la paret interior donant lloc a l'entrada de fluid de procés i fallada elèctrica.

Influència del gruix de la paret en l'inici i propagació de l'esquerda
El gruix de la paret té dos efectes oposats sobre el risc d'esquerdes per corrosió per tensió. En primer lloc, les parets més primes tendeixen a tenir tensions residuals més altes per a la mateixa reducció d'estampació perquè el treball en fred s'estén més a la secció transversal de la paret. Una funda de 0,8 mm pot tenir tensions residuals superficials de 400-500 MPa després de l'estampació, però una funda de 2,0 mm de diàmetre exterior idèntic pot tenir només 200-300 MPa d'esforç residual, ja que l'efecte del treball en fred es limita a una capa superficial menys profunda en relació amb el gruix total. La tensió residual més alta disminueix el temps d'aparició de l'esquerda. En segon lloc, el temps fins a la perforació per a una taxa de propagació determinada de l'esquerda és directament proporcional al gruix de la paret restant una vegada que una esquerda comença. 4 mesos a perforar una beina de 2,0 mm, però una fractura que s'estén a 0,5 mm/mes impregnarà una beina de 0,8 mm en 1,6 mesos. L'impacte net és un perfil de risc que no és-monòton. Beines molt primes (<1.0 mm) develop cracks quickly yet have little material to penetrate. Very thick sheaths (above 2.0 mm) break more slowly, but take longer to perforate. Intermediate thicknesses 1.2–1.6 mm are the highest risk category, because they start at moderate rates, but have enough wall thickness to conceal developing cracks for a long time before abrupt failure.

316 Llindars de temperatura i concentració de clorurs de les beines
316 stainless steel is not susceptible to stress corrosion cracking in chloride solutions below 60°C. Cracking will only occur in concentrated chlorides >1.000 ppm i fortes tensions de tracció entre 60 i 80 graus. A nivells moderats de clorur de 100 a 500 ppm, el risc es torna greu entre 80 graus i 120 graus . 316 no és adequat per a cap entorn de clorur amb esforç de tracció, independentment del gruix de la paret, a temperatures superiors a 120 graus. En aquests intervals de temperatura d'alt risc on s'utilitzen beines d'escalfador, la resposta pràctica de l'enginyeria és reduir la concentració de clorur per sota de 10 ppm, o eliminar les tensions de tracció mitjançant el recuit completament després de la fabricació, o actualitzar a un aliatge més resistent com Incoloy 825 o titani. Les recomanacions per al gruix de la paret de 316 beines en servei de clorur són les següents, basades en la temperatura i la concentració de clorur, assumint que les soques residuals de l'estampació no es poden eliminar:

Temperatura de funcionament Concentració de clorur Mínim recomanat 316 Gruix de paret de la funda Vida útil prevista abans del risc de corrosió per estrès Esquerdament Recomanació alternativa
60–80 graus < 100 ppm 1,2 mm Risc baix, > 5 anys 316 acceptable 60–80 graus 100–1.000 ppm 1,6 mm Risc moderat, 2–4 anys Controlar anualment 60–80 graus > 1.000 ppm 2,0 mm Considerar risc alt, augment d'aliatge 1–2 mm
80 - 100 grau < 100 ppm 1,6 mm Risc moderat, 2 - 3 anys Actualització d'aliatge 80-100 graus 100-500 ppm 2,0 mm Risc alt, 1-2 anys Actualització d'aliatge recomanada .
80-100oC > 500 ppmNo recomanat Impredictible,<1 yearUse titanium or Incoloy 825;
100-120 graus qualsevol Cl mesurable No recomanat Falla ràpida probable Actualització obligatòria d'aliatge 120 graus Qualsevol clorur Inadequat Falla imminent Canviar les especificacions del material
Canvis de disseny per minimitzar el risc d'esquerdes per corrosió per tensió sense afegir gruix de paret
Els enginyers haurien de considerar tres ajustos de disseny que minimitzin el component de tensió de tracció de l'equació d'esquerdes per corrosió per tensió abans d'acceptar el cost de calor d'una paret més gruixuda. El primer i més important és un recuit complet del conjunt de l'escalfador acabat després de tots els procediments d'estampació i flexió. El recuit a 1050 graus seguit d'un refredament ràpid redueix les tensions residuals aproximadament un 80-90% amb poc efecte sobre la resistència a la corrosió. La compensació-inclou un potencial d'oxidació del cable de resistència interna i un cost de producció addicional. La segona alteració és la definició dels processos d'estampació de baix-residual-tensió. Múltiples passades d'estampació lleugera amb alleujament intermedi d'estrès donen lloc a menys soques residuals que una reducció forta. Els fabricants d'escalfadors d'alta fiabilitat generalment són capaços d'aconseguir tensions residuals superficials per sota de 150 MPa fins i tot en beines de paret d'1,2 mm. La tercera modificació és dissenyar el sistema per minimitzar les tensions de tracció imposades. Dissenyar per a baixa pressió del sistema, connexions elèctriques flexibles i evitar una instal·lació inflexible que impedeix l'expansió tèrmica, tot serveix per reduir la tensió total de tracció a la funda. En els casos en què s'utilitzen aquestes modificacions, una funda 316 d'1,2 mm pot proporcionar una vida útil adequada en condicions que arruïnen una funda de 2,0 mm amb altes tensions residuals.

Estratègies d'Inspecció i Seguiment de les Instal·lacions Existents
Una vegada que un escalfador està en servei en un entorn de clorur calent, les opcions de gruix de paret no es poden modificar retroactivament. En canvi, es requereixen inspeccions freqüents per esquerdes per corrosió per tensió. La prova de penetració del colorant de la superfície de la funda pot detectar esquerdes naixents abans que impregnin la paret. Per a un servei de clorur de 80 graus, 500 ppm, beines de gruix de paret d'1,2 a 1,6 mm, es recomana una inspecció trimestral. Per a les beines més gruixudes de 2,0 mm i més, les comprovacions semestrals poden ser adequades, ja que l'augment del temps de propagació proporciona més advertència. El monitoratge d'emissions acústiques pot detectar l'activitat d'esquerdes en temps real durant el funcionament, tot i que aquest enfocament s'aplica normalment a instal·lacions crítiques o d'alt valor-. L'indicador d'advertència clau és el desenvolupament de fractures de ramificació fines a la superfície de la beina, normalment només visibles amb augment o amb l'ús d'un penetrant de colorant. Si es veuen esquerdes, l'escalfador s'ha de canviar ràpidament, independentment del gruix de la paret que quedi, ja que la velocitat de propagació pot accelerar-se d'una manera imprevisible.

Conclusió: especificació informada del gruix de la paret per al control d'esquerdes per corrosió per estrès
El gruix de la paret no és una mètrica de durabilitat, sinó una eina de gestió de riscos per als enginyers que seleccionen beines d'acer inoxidable 316 per a escalfadors d'immersió elèctrics en entorns alts en clorur. Les parets més gruixudes retarden el temps de propagació de la fractura, però no impedeixen l'inici de l'esquerda si les tensions residuals són grans. Les parets més primes poden provocar que es formin esquerdes més ràpidament, però que es perforin abans, oferint menys degradació oculta. La millor manera d'evitar l'esquerda per corrosió per tensió és evitar les condicions en les quals es pot produir, és a dir, mantenir temperatures per sota dels 60 o C, clorurs per sota de 100 ppm o soques residuals per sota de 100 MPa. En cas d'aplicació, aquestes condicions són inevitables, aleshores el compromís òptim de l'inici de la fractura i el marge de propagació de l'esquerda és proporcionat per un gruix de paret d'1,6-2,0 mm amb recuit complet. Si els nivells de clorur superen les 1.000 ppm o si les temperatures superen els 100 graus, l'únic consell d'enginyeria adequat és triar un aliatge de funda diferent. La despesa d'actualització a Incoloy 825 o titani és mínima en comparació amb el cost d'una fallada imprevista de l'escalfador que provoca la contaminació d'un lot de producte, la pèrdua d'una línia de procés o el perill de seguretat de les peces elèctriques exposades en contacte amb solucions de clorur conductor.