كيف يؤثر سمك جدار غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ 316 على توزيع الإجهاد المتبقي بعد الغسل وتأثيره على حياة التعب والتآكل في البيئات البحرية؟

يعد إجهاد التآكل آلية فشل شديدة بشكل خاص للسخانات الغاطسة الكهربائية المحددة من قبل المهندسين البحريين للمنصات البحرية وأنظمة السفن والمنشآت الصناعية الساحلية عندما يتم الجمع بين الحمل الميكانيكي الدوري وتآكل الكلوريد. يؤدي إجهاد التآكل إلى بدء التصدع عند سعات إجهاد أقل بكثير وعمر دورة أقصر من التعب النقي في الهواء أو التآكل النقي في الإعدادات الثابتة. تتفاعل الضغوط المتبقية الناتجة عن التأرجح (التي تضغط عزل أكسيد المغنيسيوم حول سلك المقاومة) مع ضغوط الخدمة وتؤدي إما إلى تسريع أو تأخير تكوين الكسر اعتمادًا على حجمها وحجمها. تحدد هذه المقالة تأثير سماكة جدار الغلاف على توزيع الإجهاد المتبقي بعد التطريق وتأثير هذه الضغوط المتبقية على عمر كلال التآكل في البيئة البحرية.

توليد الإجهاد المتبقي في تأرجح 316 غمدًا
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1.8 ملم) يتم امتصاص قوة التأرجح في الغالب في الطبقات الخارجية ويتم إنتاج ضغوط الضغط الكبيرة فقط بالقرب من السطح الخارجي، ولا تتأثر الطبقات الداخلية نسبيًا. يتم أيضًا تقليل ضغوط الشد على السطح الداخلي بسبب الضغط الأقل اكتمالًا لـ MgO. إن دراسات حيود الأشعة السينية للإجهاد المتبقي في الأغماد المتعرجة 316 تؤكد صحة هذا الارتباط. بالنسبة لغمد الجدار 0.9 مم، كان ضغط ضغط السطح -280 ميجا باسكال. كان غمد الجدار 1.5 مم -180 ميجا باسكال. 2.0 مم كشف غمد الجدار -120 ميجا باسكال فقط. يتميز الغلاف الرقيق بضغط ضغط أكثر ملاءمة على السطح الخارجي حيث تتشكل شقوق إجهاد التآكل بشكل عام.

دور الإجهاد الضاغط المتبقي في تأخير بدء صدع التعب والتآكل
يتسبب إجهاد الشد الدوري والكهارل المسبب للتآكل الذي يحتوي على الكلوريدات في حدوث كسر في إجهاد التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ 316. يبدأ الكراك عند حفرة سطحية أو متضمنة حيث فشل الطلاء الواقي السلبي. إذا كانت حالة إجهاد الضغط المتبقية موجودة على السطح، فيجب أن يتغلب إجهاد الشد الدوري المطبق على هذا الضغط لإنتاج شد صافي عند طرف الشق. وهذا يزيد بشكل كبير من مستوى الضغط المطلوب لبدء التشقق. إذا كان الضغط المتبقي على السطح هو -280 ميجا باسكال، والضغط الدوري المطبق هو +200 ميجا باسكال، فإن الشبكة على السطح هي -80 ميجا باسكال. لا يزال هذا ضاغطًا ولا يمكن أن يؤدي إلى حدوث صدع تعب. يوجد التوتر الصافي فقط إذا كان الإجهاد الدوري أعلى من +280 MPa. بالمقارنة، فإن الغلاف 2.0 مم الذي يحتوي على -120 ميجا باسكال فقط من ضغط السطح يكون في حالة شد صافي عندما يكون الضغط المطبق أكبر من +120 ميجا باسكال، وهي عتبة أقل بكثير. اختبارات التعب التآكل في مياه البحر الاصطناعية عند 60 درجة مئوية تؤكد صحة هذا التأثير. العينات التي يبلغ سمك جدارها 0.9 مم والضغط المتبقي الكبير تحمل 10 ملايين دورة عند 250 ميجا باسكال، وتم تطبيق إجهاد متناوب دون بداية التشقق. عند نفس الحمل المطبق، فشلت العينات ذات الضغط المتبقي القليل وسمك الجدار 2.0 مم بعد 2 مليون دورة. أدى الغلاف الرقيق إلى زيادة عمر كلال التآكل بخمسة أضعاف على الرغم من انخفاض سمك الجدار المطلق.

المقايضة-بين فائدة الإجهاد المتبقي وهامش سمك الجدار
تتميز الأغلفة ذات الجدران الرقيقة-بميزة إجهاد التآكل ولكن يجب موازنتها مع هامش المادة المنخفض في حالة حدوث تشقق. يمكن لغمد 0.9 مم مع ضغط متبقي كبير أن يتحمل بدء التشقق لملايين الدورات. ومع ذلك، فإن أي صدع يتغلب على مجال الإجهاد المتبقي، إما عن طريق حفرة سطحية كبيرة أو حمل زائد مؤقت، يحتوي على 0.9 مم فقط من المادة التي يمكن أن تنتشر من خلالها قبل التثقيب. قد يؤدي غمد 2.0 مم مع ضغط متبقي أقل إلى حدوث صدع في دورات أقل، ولكن يجب أن ينتشر الشق بمقدار 2.0 مم لإحداث الفشل. إجمالي العمر حتى الفشل=عمر البدء + عمر الانتشار اختبار إجهاد التآكل في المياه المالحة عند 60 درجة مئوية في جهاز شعاع دوار يعطي إجمالي دورات الفشل التالية لقطر خارجي 10 مم 316 غمد عند 200 ميجاباسكال من الإجهاد المتناوب. بلغ غمد 0.8 ملم ما مجموعه 12 مليون دورة، 11.5 مليون للبدء و 0.5 مليون للانتشار. صمد الغلاف الذي يبلغ قطره 1.2 ملم أمام 8 ملايين دورة، 7 ملايين للبدء و1 مليون للانتشار. تحمل الغلاف مقاس 1.6 ملم 5 ملايين دورة (3 ملايين للبدء و2 مليون للانتشار). تم تشغيل الغلاف مقاس 2.0 ملم لمدة 3.5 مليون دورة، منها 1.5 مليون للبدء و2 مليون للانتشار. يتمتع الغلاف ذو الجدران الرقيقة-بأعلى ضغط متبقي وأطول عمر إجمالي، على الرغم من أن هامش الانتشار صغير.

مصفوفة اختيار الحياة والتآكل والتعب في البيئة البحرية
يوضح الجدول التالي سمك جدار الغلاف الموصى به البالغ 316 للسخانات الغاطسة الكهربائية في الخدمة البحرية اعتمادًا على سعة الإجهاد الدوري المقدرة وعمر الخدمة الضروري. القيم مخصصة للتعرض المستمر لمياه البحر أو المياه قليلة الملوحة عند درجة حرارة 30-60 درجة مئوية وأيضًا لتقنيات التطريق العادية دون التلدين بعد التطريق.

سعة الإجهاد الدوري المتوقع مدة الخدمة الموصى بها 316 سمك جدار الغمد وضع الفشل السائد الأساس المنطقي للتصميم
منخفض، أقل من 50 ميجاباسكال على مدى 10 سنوات 1.2 - 1.6 ملم التآكل في الشقوق السُمك الناتج عن بدل التآكل، فائدة الإجهاد المتبقي أقل أهمية
متوسط، 50 – 150 ميجا باسكال 5 – 10 سنوات 1.0 – 1.2 مم بدء إجهاد التآكل يوفر الجدار الرقيق ضغطًا متبقيًا عاليًا لمنع التشقق
متوسط، من 50 إلى 150 ميجا باسكال 10 سنوات أو أكثر 1.4 - 1.6 مم مع التلدين اللاحق - التكاثر من الأصل التلدين يقلل من الاستفادة من الإجهاد المتبقي؛ استخدام هامش سمك
عالي، 150 - 250 ميجا باسكال 3 - 5 سنوات 0.8 - 1.0 مم بدء إجهاد التآكل قبول عمر خدمة قصير، أقصى قدر من الضغط المتبقي ضروري
High, 150 – 250 MPa>5 سنوات 316 غير ممكن التحميل الزائد أو التكسير السريع استبدله بـ Incoloy 825 أو التيتانيوم
متغير مع العديد من الشحنات الزائدة. أي عمر خدمة 1.6 – 2.0 مم. بعد هامش الكراك غير المتوقع، يحمي الهامش من الأحداث غير المتوقعة
في التطبيقات التي تنتج فيها الضغوط الدورية عن طريق الاهتزاز أو دورة التمدد الحراري أو تغيرات الضغط، من المهم أن تكون قادرًا على قياس أو تقدير سعة الضغط. وفي غياب القياس، يعتبر مستوى الإجهاد المعتدل الذي يبلغ 100 ميجا باسكال هو الوضع الافتراضي الحكيم. في هذه الحالات، يوفر سمك الجدار البالغ 1.2 مم الحل الوسط الأمثل بين ميزة الإجهاد المتبقي وهامش الانتشار. يجب على المهندسين أيضًا التفكير في التوصية بالتليين اللاحق-للأغلفة السميكة ذات الجدران-المستخدمة في تطبيقات الدورات العالية-. يؤدي التلدين عند 1050 درجة إلى إزالة الضغوط المتبقية تمامًا وبالتالي فائدة إجهاد التآكل للجدران الرقيقة، ولكن أيضًا ضغوط الشد المتبقية على السطح الداخلي والتي يمكن أن تؤدي إلى انتشار الكسر. يتمتع الغلاف الملدن مقاس 1.6 مم بعمر كلال إجمالي مماثل للغلاف غير الملدن مقاس 1.2 مم، مما يوفر طريقة بديلة لتحقيق عمر خدمة طويل دون الاعتماد على الجدران الرقيقة. يعتمد اختيار الجدران الرقيقة ذات الإجهاد المتبقي العالي أو الجدران السميكة مع التلدين على القدرة على التصنيع والتكلفة. بالنسبة لمعظم التطبيقات البحرية حيث يوجد اهتزاز ولكن ليس شديدًا، فإن التطريق الطبيعي سيوفر أداءً موثوقًا ضد إجهاد التآكل دون معالجة إضافية إذا كان سمك الجدار يتراوح بين 1.2 إلى 1.4 ملم.