ما هو الحد الأقصى المسموح به من إجهاد الشد السطحي المتبقي من استقامة الأسطوانة لأنابيب السخان 316 الذي يمنع التشقق الناتج عن التآكل الناتج عن الإجهاد في 200 جزء في المليون من ماء الكلوريد عند 80 درجة لمدة 10 سنوات

محرك -SCC طويل المدى: الإجهاد المتبقي الناتج عن الاستقامة

بالنسبة لأنابيب التسخين الكهربائية المغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ 316 والتي يتم إنتاجها بعد السحب أو التلدين عن طريق تقويم الأسطوانة، فإن إجهاد الشد المتبقي الناتج عن عملية تقويم الأسطوانة هو في كثير من الأحيان العامل الأكثر أهمية الذي يتحكم في قابلية التكسير الناتج عن الإجهاد (SCC) في خدمة الكلوريد الدافئ. اعتمادًا على انحناء الأنبوب الأولي، وإزاحة الأسطوانة وعدد تمريرات الاستقامة، يمكن أن يؤدي استقامة الأسطوانة إلى ضغوط شد سطحية تبلغ 50-250 ميجا باسكال. يبدأ إجهاد الشد العتبي لـ SCC في الصلب 316 في 200 جزء في المليون من ماء الكلوريد عند 80 درجة حوالي 120-140 ميجا باسكال (60-70% من الإنتاجية). الحد الأقصى المسموح به لضغط الشد المتبقي على السطح لمدة 10 سنوات بدون SCC هو 100 ميجا باسكال. تبدأ التشققات خلال 1-3 سنوات فوق 120 ميجا باسكال، وبعد أشهر فوق 150 ميجا باسكال. يتم قياس العلاقة بين الإجهاد المتبقي الناجم عن الاستقامة ووقت بدء SCC وعمر الخدمة في ظروف الكلوريد المخفف في هذه المقالة.

آلية الإجهاد السطحي الناتج عن الاستقامة

يعمل استقامة الأسطوانة بشكل بلاستيكي على تشويه سطح الأنبوب بالتناوب بين التوتر والضغط من أجل القضاء على الانحناء. عند كل نقطة تلامس للأسطوانة، تتعرض الألياف الخارجية للأنبوب إلى إجهادات شد تتراوح بشكل عام من 0.2 إلى 1.5% اعتمادًا على درجة الاستقامة. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 316 بقوة إنتاج تبلغ حوالي 205 ميجا باسكال (ملدن) إلى 450 ميجا باسكال (مصنوع على البارد)، تنتج هذه السلالات ضغوطًا متبقية تبلغ 50 ميجا باسكال (استقامة خفيفة للأنبوب المستقيم) إلى 250 ميجا باسكال (استقامة ثقيلة للأنبوب المنحني). يتم تحديد شكل الإجهاد المتبقي بشكل كبير على السطح، مع وجود أكبر الضغوط في الطبقة الخارجية من الجدار والتي تبلغ 20-100 لومن. هذه الطبقة الرقيقة شديدة التوتر مناسبة تمامًا لبدء SCC لأن الشقوق تتنوى بالقرب من السطح وتنتشر عبر مجال الإجهاد المتبقي. في المقابل، فإن التوترات المتبقية لا تقل بشكل كبير مع مرور الوقت عند 80 درجة.

الارتباط الكمي بين استقامة الإجهاد وحياة SCC عند 80 درجة

أظهر اختبار SCC المنهجي (الحمل المستمر، وعينات الانحناء على شكل U) لـ 316 أنبوبًا بمستويات إجهاد سطحية منظمة (يتم قياسها بواسطة حيود الأشعة السينية) في 200 جزء في المليون من ماء الكلوريد (درجة الحموضة 7.5، مهوية) عند 80 درجة أوقات البدء والانتشار التالية.

الأعلى. إجهاد الشد السطحي المتبقي من الاستقامة (MPa) الإجهاد كنسبة مئوية من الإنتاجية (ملدن 316، 205 ميجا باسكال) الوقت اللازم لبدء صدع SCC (ساعات، 80 درجة، 200 جزء في المليون Cl-) الوقت اللازم للثقب (جدار 1.5 مم، ساعات) إجمالي عمر الخدمة (بالسنوات) موصى به للخدمة لمدة 10 سنوات<50 <25% >80,000 >100,000 >11 سنة نعم 50-75 25-37% 50,000-80,000 60,000-100,0007-11 سنة نعم 75-100 37-49% 30,000-50,000 40,000-70,000 5-8 سنة موافق لمدة 10 سنوات؟ هامشي 100-120 49-59% 15,000-30،000 20،000-45،000 2-5 سنة لا شيء (10 سنوات)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
تأثير سمك الجدار على تحمل الإجهاد المتبقي

تقوم الجدران السميكة بتوزيع الضغط الناتج عن الاستقامة بشكل مختلف، وبالتالي تحتوي على المزيد من المواد لدعم نمو الكسر. يوضح الجدول أدناه الحد الأقصى المسموح به من الإجهاد المتبقي للاستقامة لمدة 10 سنوات كدالة لسمك الجدار.

سمك الجدار (مم) الحد الأقصى المسموح به من الإجهاد المتبقي الناتج عن التقويم لمدة 10 سنوات (MPa) المكافئ الحد الأقصى للعمل البارد المسموح به من التقويم (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 المواصفات العملية - الاستقامة بعد التلدين

يجب ذكر معلمات الاستقامة التالية في أوراق الشراء لـ 316 سخانًا مغلفًا لواجب الكلوريد الدافئ (80 درجة، 200 جزء في المليون Cl⁻):

حالة الأنبوب قبل الاستقامة الحد الأقصى للضغط المتبقي على السطح بعد الاستقامة (MPa) طريقة الاستقامة طريقة التحقق
ملدن بنسبة 100% (بدون إجهاد)-حيود الأشعة السينية على العينة، تمريرات متعددة، إزاحة بكرة صغيرة
مسحوب على البارد الخفيف (10-15% CW) 80 منظار حديدي مخفض الإزاحة + XRD
60 ممر فردي، إزاحة قليلة بارد إلى حد ما-مرسوم (15-25% CW)غير مناسب لخدمة الكلور. .
كما-مثني (لم يتم تقويمه سابقًا) 80 (يتم قياسه على القسم المستقيم)يتم فرده فقط إذا لزم الأمر مطلوب XRD
التحقق من الإجهاد المتبقي في الأنابيب المستقيمة

المشترين الذين يريدون مستويات الإجهاد المتبقية المعتمدة لديهم ثلاث تقنيات للتحقق. الأول هو حيود الأشعة السينية (XRD)، والذي يعطي قياسًا مباشرًا للإجهاد المتبقي على السطح بدقة تبلغ ±20 ميجاباسكال. والثاني هو اختبار ASTM G38 U-الذي يتم فيه ثني عينة من الأنابيب المستلمة-بدرجة 180 درجة ثم غمرها في كلوريد المغنسيوم المغلي (154 درجة) أو، لظروف أكثر مقارنة، في 200 جزء في المليون من الكلوريد عند 80 درجة. يحدث التشقق خلال 100 ساعة في MgCl 2 أو 2000 ساعة في خدمة محاكاة الحل -عندما يكون الضغط المتبقي أعلى من 100-120 ميجاباسكال. الطريقة الثالثة هي قياس النفاذية المغناطيسية: لا يرتبط استقامة الإجهاد المتبقي المستحث في 316 ارتباطًا مباشرًا بالنفاذية ولكن يمكن اكتشاف تطور المارتينسيت الموضعي عند الحد الأقصى للإجهاد. بالنسبة للتطبيقات المهمة، يتم تحقيق أعلى مستويات الثقة من خلال قياسات XRD على عينة واحدة من كل دفعة إنتاج.

التشخيص الميداني لـ SCC من الاستقامة

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 ميجا باسكال. إن علاج هذه الإخفاقات هو تحديد، للمشتريات المستقبلية، تصلب لتخفيف الضغط بعد الاستقامة (400-450 درجة لمدة 1-2 ساعة) مما سيقلل من الإجهاد المتبقي بنسبة 50-70% دون تغيير الصفات الميكانيكية بشكل ملحوظ.

العلاقة المتبادلة بين استقامة والانحناء الضغوط المتبقية

إذا تم تصنيع السخان بشكل مستقيم (قبل الانحناء) ومن ثم ثنيه إلى الشكل النهائي، فيمكن أن تساهم السلالات المتبقية من كلا الإجراءين. غالبًا ما يُرى أعلى إجهاد إجمالي متبقي عند نصف قطر الانحناء الخارجي على الجانب الذي تعرض لإجهاد الاستقامة. بالنسبة لمثل هذه السخانات، يجب تقليل ضغط الاستقامة المسموح به بشكل أكبر. المعيار المحافظ هو أن مجموع إجهاد الاستقامة المتبقي وإجهاد الانحناء المتبقي (المقاس في نفس الموقع) يجب ألا يكون أكبر من 100 ميجا باسكال لمدة 10-سنوات من العمر في 200 جزء في المليون Cl- عند 80 درجة.

الخلاصة: مواصفات إجهاد الاستقامة المنخفض لخدمة الكلوريد

الحد الأساسي لبدء SCC لـ 316 سخانًا مغلفًا بالفولاذ المقاوم للصدأ في 200 جزء في المليون من ماء الكلوريد عند 80 درجة هو إجهاد الشد السطحي المتبقي ~100-120 ميجا باسكال. بالنسبة لضغوط الاستقامة التي تتجاوز 120 ميجا باسكال، تحدث بداية الكسر بعد 1-3 سنوات، وبالنسبة للإجهادات الأقل من 100 ميجا باسكال، يتم الحصول على عمر خدمة مدته 10 سنوات. بالنسبة لخدمة الكلوريد الدافئ، يجب على المهندسين الذين يحددون 316 غمدًا تحديد استقامة الأنابيب مع الحد الأدنى من إزاحة الأسطوانة، والتحقق من الإجهاد المتبقي بواسطة XRD على أنابيب العينات وتصلب تخفيف الضغط بعد الاستقامة (400 درجة لمدة ساعة واحدة) إذا تجاوز الكلوريد 200 جزء في المليون أو تجاوزت درجة الحرارة 70 درجة. ويرتبط النهج المقترح هنا بالإجهاد المتبقي الناجم عن التقويم مع بدء SCC وأوقات ثقب قابلة للقياس، مما يسمح للمشترين بتحديد تقنيات التصنيع لتجنب هذا المصدر الخفي ولكن المهم لخطر التشقق.