Quina profunditat màxima permesa de les marques de mòlta superficial després de l'acabat sense centres del tub de l'escalfador 316 evita l'inici de fissuració per corrosió per estrès en aigua de clorur de 500 ppm a 90 graus

La rascada superficial com a lloc de concentració d'estrès per a l'inici de SCC

El llindar per a l'inici de fissuració per corrosió per tensió (SCC) en entorns de clorur per a tubs de calefacció elèctrics amb revestiment d'acer inoxidable 316 que s'han rectificat sense centres o polits mecànicament com a operació d'acabat final per aconseguir toleràncies de diàmetre ajustades o superfícies llises es controla directament per la profunditat de les marques de mòlta residuals, normalment de 5-50 µm de graella i la velocitat d'alimentació. Cada marca de mòlta és un concentrador d'esforços geomètrics, amb un factor de concentració de tensió teòrica (K_t) que oscil·la entre 1,5 per a una marca llisa i poc profunda (profunditat).<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, radi de l'arrel<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mecanisme d'inici de SCC a les osques superficials

El craqueig per corrosió per tensió 316 en clorurs calents requereix tres condicions: una microestructura susceptible (generalment algun treball en fred), un esforç de tracció prolongat i un entorn de clorur agressiu. A la base d'una marca de rectificat de superfície, l'esforç de tracció local ve donat per $σ_{local}=σ_{aplicat}×K_{t}$ on $K_{t}$ és una funció de la geometria de la marca (proporció de profunditat a radi). Una marca típica de mòlta amb profunditat d i radi de l'arrel ρ dóna K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Una abolladura arrodonida i poc profunda (d=5 µm, ρ=10 µm) dóna K_t≈{1+2×sqrt(0,5)=2.4. Per a una marca profunda i nítida (d{=20 $\\mu$m, $\\rho$m, $\\rho$\\{18}} aproximadament) 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Per a una tensió residual aplicada de 100 MPa, la tensió local és de 240-730 MPa, per sobre del límit elàstic de 205 MPa i lluny de l'àrea on es produeix SCC ràpidament. Una esquerda comença a la concentració d'esforços i avança mitjançant la dissolució anòdica a la punta de l'esquerda, impulsada per la tensió aplicada fins que la paret de la coberta és perforada.

Relació quantitativa entre la profunditat de la marca de mòlta i l'inici SCC

Les proves SCC controlades (càrrega contínua, mostres de flexió en U o anell C-) de tubs 316 amb marques de mòlta superficial de profunditat controlada (aconseguides alterant el grau abrasiu i la velocitat d'alimentació) en aigua de clorur de 500 ppm a 90 graus han establert les profunditats essencials per a l'inici del període de temps particular.

Profunditat màxima de la marca de mòlta (µm) Rugositat de la superfície típica (Ra, µm) Radi de l'arrel de la marca (µm, típic) Factor de concentració de tensió (K_t) Temps fins a l'inici de l'SCC (hores, 500 ppm Cl-, 90 graus, 100 MPa, 100 MPa) Temps per a l'inici de la tensió residual recomanada per paret (1) 5 mm. 500 ppm Cl-, servei de 90 graus<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Sí (equivalent electropolit)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20,000 15,000-25,000 Sí 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10,000 8,000-15,000 Acceptable 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8,000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000-2,500 2,000-4,000 No recomanat
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1,000-2,000 No acceptable
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
La influència del nivell d'estrès residual en la profunditat de marca permesa

La profunditat admissible de les marques de mòlta varia molt segons l'esforç de tracció residual de la funda. L'estrès residual més alt necessita marques menys profundes per evitar SCC. La profunditat de marca màxima permesa per a molts nivells de tensió residual, 500 ppm Cl⁻, 90 graus es presenta a la taula següent.

Esforç de tracció residual (MPa) Profunditat de marca de mòlta màxima permesa durant 10.000 - hores Vida sense SCC (µm) Rugositat superficial requerida (Ra, µm) Mètode d'acabat recomanat<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (dibuix)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (dibuix moderat)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (-doblat, sense alleujar l'estrès)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Servei pràctic d'especificacions d'acabat de clorur

Es recomanen els següents criteris d'acabat de superfície per als escalfadors de 316 cobertes per al servei en aigua de clorur per sobre de 200 ppm a temperatures superiors als 80 graus segons l'estat d'estrès residual estimat.

Mètode de processament final Profunditat màxima de la marca de mòlta Mètode de comprovació Ra màxim Estat de tensió residual
Tensió alleujada (recuit després de la formació) Mòlta sense centre, gra 400-60010 µm 0,5 µmVisual + perfilòmetre 50×
Tal com estirat o doblegat (sense alleujament de tensió) Mòlt fi + poliment suau 5 µm 0,3 µm Perfilòmetre
Alts clorurs Tal com estirat Com doblat Electropolish (eliminar 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Qualsevol, per al servei críticElectropolish + passivació0 (marques totalment eliminades)<0.1 µmComplete surface inspection
Identificació de camp del SCC induït per la marca de mòlta

Per als escalfadors que han fallat per SCC en servei de clorur, la superfície de fractura s'ha d'investigar pel lloc d'origen de la fractura. Amb un augment (100-500×), el punt d'origen de l'esquerda coincidirà amb freqüència amb una marca de mòlta o rascada. La marca es veurà com una ranura clarament definida, sovint amb producte de corrosió recollit preferentment a la ranura. Les esquerdes SCC es propaguen normal a la direcció de la marca de mòlta (si les marques són circumferencials, les esquerdes són axials, i si les marques són axials, les esquerdes solen ser circumferencials però poden seguir la marca). Si hi ha marques de mòlta i l'entorn de servei té clorurs superiors a 200 ppm i temperatures superiors a 80 graus, s'ha de sospitar de SCC a causa de les marques de mòlta. La resposta és requerir superfícies electropolides o polides fines per a futures compres, i retirar els escalfadors actuals o polir la superfície de la funda al seu lloc si és accessible (poques vegades és possible).

Conclusió: límits de profunditat de marca de mòlta per al servei de clorur

Grinding markings >10-12 µm proporcionen concentradors d'estrès i redueixen el temps d'inici SCC per a escalfadors d'acer inoxidable 316 en 500 ppm d'aigua de clorur a 90 graus de 20,000+ hores a 2.000-5.000 hores. SCC comença en 500-1000 hores sota els nivells d'estrès residual normals a profunditats superiors a 20 µm. Per al servei de clorur, els enginyers que seleccionen 316 beines haurien d'especificar una profunditat màxima de les marques de mòlta (per exemple, inferior o igual a 8 µm), o equivalentment, una rugositat superficial màxima (per exemple, Ra Menor o igual a 0,5 µm) i sol·licitar la verificació per perfilometria. Per a les condicions de clorur més hostils o on les tensions residuals no es poden minimitzar, l'electropolit per eliminar la capa superficial rascada i treballada en fred elimina completament els concentradors d'esforços associats a les marques de mòlta. L'enfocament proposat aquí relaciona la profunditat de la marca de mòlta amb els temps d'inici de SCC mesurables, permetent al comprador especificar tècniques d'acabat superficial que eviten l'inici de fissures premadures als defectes superficials.