For marineingeniører, der specificerer elektriske dykvarmere til offshore-platforme, skibssystemer og kystindustrielle anlæg, skaber kombinationen af cyklisk mekanisk belastning og kloridkorrosion en særlig aggressiv fejlmekanisme kendt som korrosionstræthed. I modsætning til ren træthed i luft eller ren korrosion under statiske forhold, producerer korrosionstræthed revneinitiering ved væsentligt lavere spændingsamplituder og kortere cykluslevetid. De resterende spændinger introduceret under sænkningsprocessen-brugt til at komprimere magnesiumoxidisolering omkring modstandstråden-samvirker med driftsspændinger for enten at accelerere eller forsinke revnevækst afhængigt af deres tegn og størrelse. Denne artikel kvantificerer, hvordan vægtykkelsen af en 316 rustfri stålkappe påvirker restspændingsfordelingen efter sænkning, og hvordan disse resterende spændinger modificerer korrosionstræthedslivet i marine miljøer.
Generering af resterende stress under sænkning af 316 hylstre
Når et 316 rustfrit stålrør sænkes fra en større diameter til en mindre diameter omkring den MgO-fyldte kerne, inducerer processen et karakteristisk restspændingsmønster. Den ydre overflade af kappen oplever kompressionsrestspændinger, fordi sænkningsmatricerne hamrer materialet indad, mens den indvendige overflade oplever træk-restspændinger, når det komprimerede MgO skubber udad under elastisk tilbagespring. Størrelsen af disse restspændinger afhænger af vægtykkelsen i forhold til diameterreduktionen. For en tynd-vægget kappe under 1,0 mm trænger sænkekraften ind i næsten hele vægtykkelsen og frembringer høje trykspændinger på den ydre overflade, typisk -200 til -300 MPa, og moderate trækspændinger ved den indvendige overflade, +100 til +100 til +100 For en tykvægget kappe over 1,8 mm absorberes sænkekraften primært i de ydre lag, hvilket giver høje trykspændinger kun nær den ydre overflade, mens de indre lag efterlades relativt upåvirket. Trækspændingerne ved den indre overflade er også lavere, fordi MgO-komprimeringen er mindre fuldstændig. Røntgendiffraktionsmålinger af resterende spænding i sænkede 316 hylstre bekræfter dette forhold. En 0,9 mm vægkappe viste overfladetrykspænding på -280 MPa. En 1,5 mm vægkappe viste -180 MPa. En 2,0 mm vægkappe viste kun -120 MPa. Den tyndere kappe opbevarer mere gavnlig trykspænding ved den ydre overflade, som er det sted, hvor korrosionstræthedsrevner typisk starter.
Hvordan resterende trykspænding forsinker korrosionstræthed Revneinitiering
Korrosionstræthedsrevneinitiering i 316 rustfrit stål kræver både cyklisk trækspænding og en korrosiv elektrolyt indeholdende chlorider. Revnen starter ved en overfladegrube eller inklusion, hvor den beskyttende passive film er brudt ned. Hvis overfladen er i en tilstand af resterende trykspænding, skal den påførte cykliske trækspænding først overvinde denne kompression, før materialet oplever nettospænding ved revnespidsen. Dette hæver effektivt tærskelspændingen for revneinitiering. For en 0,9 mm 316 kappe med -280 MPa overfladerestkompression, producerer en påført cyklisk spænding på +200 MPa kun -80 MPa netto ved overfladen, som forbliver sammentrykkende og ude af stand til at starte en udmattelsesrevne. Kun når den påførte cykliske spænding overstiger +280 MPa, oplever overfladen nettospænding. I modsætning hertil oplever en 2,0 mm kappe med kun -120 MPa overfladekompression nettospænding, når påført belastning overstiger +120 MPa, en meget lavere tærskel. Korrosionstræthedstest i syntetisk havvand ved 60°C bekræfter denne effekt. Prøver med 0,9 mm vægtykkelse og høj resterende kompression overlevede 10 millioner cyklusser ved 250 MPa påført alternerende spænding uden revneinitiering. Prøver med 2,0 mm vægtykkelse og lav resterende kompression fejlede efter 2 millioner cyklusser ved den samme påførte belastning. Den tyndere kappe gav fem gange længere korrosionstræthedslevetid på trods af at den havde mindre absolut vægtykkelse.
Afvejningen-Mellem Residual Stress Benefit og Wall Thickness Margin
Fordelen ved korrosionstræthed ved tynde-væggede hylstre skal afbalanceres mod den reducerede materialemargin, når først en revne starter. En 0,9 mm kappe med høj resterende kompression kan modstå revneinitiering i millioner af cyklusser. Men når en revne overvinder det resterende spændingsfelt, måske på grund af en stor overfladegrav eller en forbigående overbelastning, skal den kun forplante sig gennem 0,9 mm materiale før perforering. En 2,0 mm kappe med lavere resterende kompression kan starte en revne efter færre cyklusser, men revnen skal rejse gennem 2,0 mm for at forårsage fejl. Det samlede liv til fiasko er summen af indvielsesliv og forplantningsliv. Eksperimentelle data fra roterende strålekorrosionstræthedstest i 60°C havvand viser følgende samlede cyklusser til svigt for 10 mm ydre diameter 316 hylstre ved 200 MPa vekselspænding. En 0,8 mm kappe opnåede 12 millioner cyklusser i alt, med 11,5 millioner til initiering og 0,5 millioner til udbredelse. En 1,2 mm kappe opnåede 8 millioner cyklusser, med 7 millioner til initiering og 1 million til udbredelse. En 1,6 mm kappe opnåede 5 millioner cyklusser, med 3 millioner til initiering og 2 millioner til udbredelse. En 2,0 mm kappe opnåede 3,5 millioner cyklusser, med 1,5 millioner til initiering og 2 millioner til udbredelse. Den tynde-væggede kappe med høj restkompression giver den længste samlede levetid på trods af dens minimale udbredelsesmargin.
Korrosionstræthedslevetid udvælgelsesmatrix til marine miljøer
Følgende tabel giver anbefalede 316 kappevægtykkelser til elektriske dyppevarmere i marine miljøer baseret på forventet cyklisk spændingsamplitude og påkrævet levetid. Værdierne forudsætter kontinuerlig eksponering for havvand eller brakvand ved 30-60°C og standard sænkeprocesser uden efter-udglødning.
| Forventet cyklisk stressamplitude | Påkrævet levetid | Anbefalet 316 kappevægtykkelse | Dominant fejltilstand | Design begrundelse |
|---|---|---|---|---|
| Lav, under 50 MPa | Mere end 10 år | 1,2 – 1,6 mm | Spaltekorrosion | Reststress fordel mindre vigtigt; korrosionsgodtgørelse driver tykkelsen |
| Moderat, 50 – 150 MPa | 5 – 10 år | 1,0 – 1,2 mm | Korrosionstræthedsinitiering | Tynd væg giver høj restkompression til forebyggelse af revner |
| Moderat, 50 – 150 MPa | Mere end 10 år | 1,4 – 1,6 mm med post-udglødning | Formering efter initiering | Udglødning fjerner resterende stressfordel; stole på tykkelsesmargen |
| Høj, 150 – 250 MPa | 3 – 5 år | 0,8 – 1,0 mm | Korrosionstræthedsinitiering | Maksimal resterende kompression afgørende; acceptere kortere levetid |
| Høj, 150 – 250 MPa | Mere end 5 år | Ikke muligt med 316 | Overbelastning eller hurtig revnedannelse | Opgrader til Incoloy 825 eller titanium |
| Variabel med hyppige overbelastninger | Enhver levetid | 1,6 – 2,0 mm | Formering efter uventet revne | Tykkelsesmargen beskytter mod uforudsigelige hændelser |
Til applikationer, hvor cykliske spændinger opstår fra vibrationer, termiske ekspansionscyklusser eller tryksvingninger, er måling eller estimering af spændingsamplituden afgørende. Hvis måling er umulig, er det en konservativ standard at antage et moderat spændingsniveau på 100 MPa. I sådanne tilfælde giver en 1,2 mm vægtykkelse den bedste balance mellem restspændingsfordel og udbredelsesmargin. Ingeniører bør også overveje at specificere efter-swagglødning for tykke-væggede hylstre beregnet til høj-cyklusapplikationer. Udglødning ved 1.050°C fjerner resterende spændinger fuldstændigt, hvilket eliminerer fordelene ved korrosionstræthed ved tynde vægge, men eliminerer også de resterende trækspændinger på den indre overflade, der kan bidrage til sprækkeudbredelse. En udglødet 1,6 mm kappe opfører sig på samme måde som en ikke-glødet 1,2 mm kappe med hensyn til total udmattelseslevetid, hvilket giver en alternativ vej til at opnå lang levetid uden at være afhængig af tynde vægge. Valget mellem tynde vægge med høj restspænding og tykke vægge med udglødning afhænger af fremstillingsevner og omkostninger. Til de fleste marine applikationer, hvor vibrationer er til stede, men ikke alvorlige, giver en 1,2 til 1,4 mm vægtykkelse med standard sænkning pålidelig korrosionstræthedsydelse uden at kræve særlig bearbejdning.
