كيف تعمل النسبة المئوية لتخفيض سحب الأنبوب على أغلفة السخان المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 على تغيير الرقم المكافئ لمقاومة الحفر في محاليل الكلوريد

تأثير التشوه الميكانيكي على كيمياء الأفلام السلبية وتوزيع الشمول

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٪ يمكن أن يؤدي إلى تمزق شوائب كبريتيد المنغنيز الضخمة، مما يولد شقوقًا دقيقة تعتبر مواقع مناسبة لبدء الحفر، بغض النظر عن حجم PREN. في هذا البحث، تم قياس تأثير سحب الأنبوب٪ على مقاومة التنقر الفعالة لـ 316 غمدًا في محاليل الكلوريد الدافئة وتم وصف إطار المواصفات لاختيار انخفاض الرسم بناءً على شدة التآكل.

العلاقة المعدنية بين العمل البارد وقابلية الحفر

يبقى التركيب الكيميائي السائب دون تغيير بسبب التشوه البلاستيكي عندما يتم سحب أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 على البارد لتقليل القطر الخارجي وسمك الجدار. ومع ذلك، فهو يقوم بتعديل ثلاث خصائص بنيوية مجهرية تؤثر على التآكل الموضعي. التأثير الأول للتشوه هو استطالة الشوائب غير المعدنية، معظمها من المنغنيز ومجموعات الأكسيد، في اتجاه الرسم. تحتوي التضمينات المطولة على واجهة متواصلة أكبر مع المصفوفة الأوستنيتية المحيطة، وبالتالي فهي تزيد من احتمال ظهور حفرة متكونة في أحد التضمينات لتنتشر على طول حدود التضمين والمصفوفة بدلاً من إعادة التنشيط. ثانيًا، يتم تكسير شوائب MnS الكبيرة عن طريق العمل البارد الثقيل (التخفيضات > 40%) لإنتاج شقوق صغيرة لا يتم إصلاحها عن طريق التلدين اللاحق ما لم تكن درجة الحرارة أعلى من 1050 درجة. تعمل هذه الشقوق الصغيرة بمثابة شقوق لاحتواء أيونات الكلوريد والحفاظ على الكيمياء العدوانية محليًا، وبالتالي تبدأ في التنقر عند إمكانات أقل بكثير من إمكانات التنقر السائبة. ثالثًا، يؤدي العمل البارد إلى رفع كثافة التفكك من ثلاثة إلى أربعة أوامر أسية من حوالي 10{sup 8} cm{sup -2} في المواد الملدنة إلى 10{sup 11} إلى 10{sup 12} cm{sup -2} في 40% من المواد المسحوبة على البارد. تعتبر الاضطرابات مناطق ذات طاقة عالية حيث يكون الفيلم السلبي أرق وأكثر خللاً وأكثر حساسية للانهيار الناجم عن الكلوريد. التأثير الصافي هو أن أنبوبين لهما PREN متساوي من الكيمياء السائبة يمكن أن يكون لهما اختلافات في درجة حرارة الحفر تبلغ 10-15 درجة مئوية فقط من الاختلافات في نسبة تقليل السحب البارد المطبقة قبل التلدين النهائي.

الصلب بعد الرسم كخطوة ترميمية حاسمة

العمل البارد الناجم عن فقدان مقاومة التنقر ليس دائمًا. يؤدي تلدين المحلول الكامل عند درجة حرارة 1040-1100 درجة والتبريد السريع للمياه إلى إعادة بلورة بنية الحبوب، وإزالة الاضطرابات والكروية للشوائب المطولة. يستعيد التلدين مقاومة التنقر لأنبوب مسحوب شديد البرودة - إلى مقاومة أنبوب مسحوب بخفة له نفس الكيمياء السائبة. لكن الممارسة الصناعية لصنع أغلفة السخان تختلف اختلافًا كبيرًا. تقوم بعض الشركات المصنعة بسحب الأنابيب إلى الأبعاد النهائية، مما يقلل من حجم الخام المجوف الأولي بنسبة 60-70%، ثم يصلب قبل القطع إلى الطول والثني. يرسم آخرون عدة مرات باستخدام الصلب المتوسط ​​مما يترك الأنبوب في حالة صلبة نصف-أو ربع-(عمل بارد بنسبة 10-25٪) دون التلدين الكامل النهائي، معتمدين على حرارة اللحام المستقبلي والانحناء لتحرير التوترات جزئيًا. بالنسبة للتقنية الأخيرة، فإن العمل البارد المتبقي (عادة 10-25%) يخفض القيمة المكافئة لمقاومة التنقر الفعالة بمقدار 2-4 نقاط. في الممارسة العملية، يتصرف الأنبوب الذي يحتوي على الكتلة PREN=25 (على سبيل المثال . 17%Cr، 2.2%Mo، 0.06%N) مثل PREN=22-23 في حالة العمل البارد، مما يسبب انخفاضًا في درجة حرارة التنقر الحرجة بمقدار 8-12 درجة. عند 80 درجة ونفس تركيز الكلوريد، سوف يحدث تأليب على الأنبوب المعالج على البارد، في حين أن الأنبوب الملدن بالكامل سيكون سلبيًا.

القياس الكمي لتأثير تخفيض الرسم على درجة حرارة الحفر ووقت الحث

تم إنشاء اتصالات كمية من خلال الاختبارات المعملية لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مع تخفيضات سحب متحكم فيها وقياسات محتملة للنقر لاحقًا في 1 مولار كلوريد الصوديوم عند 80 درجة. بالنسبة للمواد الملدنة بالكامل (0-5% عمل بارد) تبلغ احتمالية التنقر الحرجة عادةً 300-350 مللي فولت مقابل SCE ودرجة حرارة التنقر الحرجة (CPT) في 1 مولار كلوريد الصوديوم هي 55-65 درجة. بالنسبة للمواد التي تحتوي على 15% من العمل البارد (ربع{32}}صعوبة) تنخفض CPT إلى 48-55 درجة. بالنسبة للعمل البارد بنسبة 25% (نصف شاق) تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 40-48 درجة. بالنسبة للعمل البارد بنسبة 40% (الجهد الكامل)، يتم تقليل CPT إلى 30-38 درجة. للخدمة، لن يظهر غمد 316 الملدن بشكل صحيح أي تأليب لمدة 5-8 سنوات في ماء كلوريد 2000 جزء في المليون عند 90 درجة. وبنفس الكيمياء السائبة و25% من العمل البارد المتبقي، سيبدأ الحفر خلال 12-24 شهرًا في ظل نفس ظروف السوائل. يكون وقت الحث لبدء الحفر متسارعًا مع نسبة العمل البارد. كل زيادة بنسبة 5% في العمل البارد تقلل من الوقت اللازم للحفر لأول مرة في بيئة ذات درجة حرارة كلوريد معينة. يوضح الجدول أدناه هذه العلاقات لكيمياء 316 نموذجية (PREN=25) لمجموعة متنوعة من تركيزات الكلوريد ودرجات حرارة التشغيل.

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 سنوات جميع خدمات الكلوريد تصل إلى 3000 جزء في المليون، 90 درجة 5-10 تخفيف الضغط الجزئي فقط 24-25 53-58 5-8 سنة مقبول للكلوريدات المعتدلة (<1500 ppm) 
10-15 لا يصلب؛ كما رسمت ربع صلبة 23-24 48-533-5 سنة خدمة كلوريد (<800ppm)
15-20 لا يصلب، مسحوب بنصف صلابة 22-23 44-48 2-3 سنة هامشية، كلوريدات منخفضة فقط (<400 ppm)
20-25 لا يوجد صلب، مسحوب بشدة21-22 40-44 12-24 شهر غير مناسب للكلور في الخدمة المستمرة
25-35 لا يصلب؛ كامل الصلابة 19-21 34-40 6-12 شهرًا غير مقبول لأي بيئة كلوريد رطبة
Any , post anneal Full solution anneal after all drawing Full PREN restored 55-65 (depends on bulk chemistry) >8 سنوات (يعتمد على PREN بالجملة) المعيار المفضل لجميع الخدمات المسببة للتآكل
التحقق العملي من حالة العمل البارد وكفاية التلدين

هناك ثلاث طرق عملية لمشتري 316 سخانًا مغلفًا لاستخدام الكلوريد لضمان تلدين الأنبوب بالكامل ولديه الحد الأدنى من العمل البارد المتبقي. الأول هو قياس النفاذية المغناطيسية باستخدام منظار الفريت. الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي 316 الملدن بالكامل هو غير مغناطيسي مع نفاذية نسبية (μr) أقل من 1.02. يتشكل المارتينسيت الناتج عن الإجهاد، وهو ذو مغناطيسية حديدية، في المطاوع البارد 316. تشير القراءة الأعلى من 1.05 إلى ما لا يقل عن 10-15% عمل بارد، بينما توصي 1.10 بـ 20-25% عمل بارد. الطريقة الثانية هي اختبار الصلابة الدقيقة على جزء من جدار الأنبوب. يتمتع الصلب 316 بصلابة فيكرز تبلغ 150-180 فولت. المواد ربع الصلبة هي 200-240 فولت. نصف الصلب هو 250-300 فولت. الجهد الكامل هو 320 فولت وما بعده. الاختبار الثالث هو اختبار إعادة تنشيط الحركة الكهروكيميائية (EPR) الذي يقيس درجة التحسس وأضرار العمل البارد. تشير قيم EPR الأقل من 0.5 درجة مئوية/سم2 إلى مادة ملدنة تمامًا، بينما تشير القيم الأكبر من 2.0 درجة مئوية/سم2 إلى تشوه متبقي كبير. إن مواصفات شهادة التلدين بالمحلول الكامل (درجة الحرارة والوقت وطريقة التبريد) بالإضافة إلى الحد الأقصى للنفاذية المغناطيسية البالغة 1.05 في مواصفات الشراء توفر ضمان جودة قابل للتنفيذ.

العلاقة بين العمل البارد واللحام وإمكانيات التلدين النهائي

أحد قيود التصنيع النموذجية هو حقيقة أن التلدين الكامل للحل ليس ممكنًا دائمًا بعد الثني واللحام. لا يمكن التلدين عمليًا لسخانات الأنابيب الطويلة على شكل U-، خاصة تلك ذات الحواف المرفقة والآبار الحرارية، نظرًا لأن درجة الحرارة المرتفعة قد تؤدي إلى تشويه التجميع أو أكسدة MgO الداخلي أو الإضرار بالمكونات غير المعدنية. في تلك الحالات، يكون العامل الأكثر أهمية لمقاومة التآكل النهائية هو حالة العمل البارد للأنابيب الخام قبل التشكيل. إذا كان سيتم تسليم الأنبوب في حالة التلدين الكاملة (0 إلى 5 بالمائة من العمل البارد) قبل الثني، فحتى مع إضافة 10 إلى 15 بالمائة من العمل البارد من عملية الثني، فإن الإجهاد المتبقي النهائي سيكون أقل من 20 بالمائة. بالنسبة للسخانات التي يجب استخدامها في حالة الانحناء دون التلدين النهائي، فإن اختيار الأنابيب ذات المحتوى العالي من الموليبدينوم (على سبيل المثال . 316L مع 2.5-2.7% Mo بدلاً من 2.0%) على الأقل يوفر ارتفاعًا تعويضيًا في كمية PREN. يحتوي الأنبوب الذي يحتوي على PREN=27 و15% من العمل البارد المتبقي على PREN ≈ 25 فعال، وهو نفس المعيار الملدن بالكامل 316. يعد هذا النهج المتمثل في استخدام الكيمياء المتميزة للتعويض عن قيود التصنيع نموذجيًا لتجميعات السخان الكبيرة والمعقدة حيث لا يكون التلدين بعد التصنيع خيارًا.

الخلاصة - تحديد حالة التلدين بالكيمياء لخدمة التآكل

لا تعد مقاومة التنقر للسخانات المغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316 في محاليل الكلوريد من وظائف PREN السائبة كما هو مذكور في شهادة المصنع فقط. إن تقليل السحب على البارد المستخدم أثناء تصنيع الأنابيب وما إذا كان الأنبوب قد تم إعطاؤه محلولًا كاملاً بعد كل عمليات التشكيل يمكن أن يغير درجة حرارة التنقر الفعالة بمقدار 10-20 درجة ويغير وقت بدء الحفر بمعامل 5-10. بالنسبة لسخانات الخدمة المستمرة التي تحتوي على كلوريدات أعلى من 500 جزء في المليون أو عند درجات حرارة أعلى من 80 درجة، يجب على المشتري الحصول على شهادة تفيد بأن الغلاف المكتمل (بما في ذلك الانحناءات واللحامات) قد تم تلدينه بالكامل. عندما يكون التلدين بعد التصنيع غير عملي، فإن استخدام الكيمياء المتميزة (316L مع PREN أكبر من أو يساوي 26) ويتطلب إدخال حالة التلدين في الأنبوب (الصلابة <180 HV، النفاذية أقل من أو تساوي 1.02) يعد خيارًا معقولًا. النموذج الذي تم تطويره في هذه الورقة يرتبط بتخفيض سحب الأنبوب٪ وتاريخ التلدين بمقاومة التنقر التي يمكن ملاحظتها. يتيح ذلك للمهندسين اختيار 316 سخانًا مغلفًا من شأنه أن يوفر أداءً يمكن التنبؤ به في مجال التآكل، بدلاً من الاعتماد على الكيمياء السائبة وحدها.