For marineingeniører som spesifiserer elektriske varmeovner for offshoreplattformer, skipssystemer og kystindustrianlegg, skaper kombinasjonen av syklisk mekanisk belastning og kloridkorrosjon en spesielt aggressiv sviktmekanisme kjent som korrosjonsutmattelse. I motsetning til ren tretthet i luft eller ren korrosjon under statiske forhold, gir korrosjonsutmattelse sprekkinitiering ved betydelig lavere spenningsamplituder og kortere syklusliv. Restspenningene som introduseres under smykkingsprosessen-brukt til å komprimere magnesiumoksidisolasjon rundt motstandstråden-samvirker med driftsspenninger for å enten akselerere eller forsinke sprekkveksten avhengig av deres tegn og størrelse. Denne artikkelen kvantifiserer hvordan veggtykkelsen til en 316 rustfri stålkappe påvirker restspenningsfordelingen etter strekking og hvordan disse restspenningene endrer korrosjonsutmattingslivet i marine miljøer.
Gjenværende spenningsgenerering under omlegging av 316 slirer
Når et 316 rustfritt stålrør smyges fra en større diameter til en mindre diameter rundt den MgO-fylte kjernen, induserer prosessen et karakteristisk gjenværende spenningsmønster. Den ytre overflaten av hylsteret opplever kompresjonsrestspenninger fordi smykkeformene hamrer materialet innover, mens den indre overflaten opplever strekkrestspenninger når det komprimerte MgO skyver utover under elastisk tilbakefjæring. Størrelsen på disse restspenningene avhenger av veggtykkelsen i forhold til diameterreduksjonen. For en tynn-vegget kappe-under 1,0 mm-trenger strekkkraften gjennom nesten hele veggtykkelsen, og produserer høye trykkspenninger på den ytre overflaten (typisk -200 til -300 MPa) og moderate strekkoverflatespenninger til - ved den indre overflaten ({{1}). For en tykk-veggkappe-over 1,8 mm- absorberes presskraften primært i de ytre lagene, og produserer høye trykkspenninger bare nær den ytre overflaten, samtidig som de indre lagene blir relativt upåvirket. Strekkspenningene på den indre overflaten er også lavere fordi MgO-komprimeringen er mindre fullstendig, som diskutert i artikkel 12. Røntgendiffraksjonsmålinger av gjenværende spenning i strukket 316 hylster bekrefter dette forholdet. En 0,9 mm veggkappe viste en overflatetrykkspenning på -280 MPa. En 1,5 mm veggkappe viste -180 MPa. En 2,0 mm veggkappe viste kun -120 MPa. Den tynnere kappen lagrer mer fordelaktig trykkspenning på den ytre overflaten - stedet der korrosjonsutmattelsessprekker vanligvis starter.
Hvordan gjenværende trykkspenning forsinker korrosjonsutmattelse sprekkinitiering
Korrosjonsutmatting sprekkinitiering i 316 rustfritt stål krever både syklisk strekkspenning og en korrosiv elektrolytt som inneholder klorider. Sprekken starter ved en overflategrop eller inneslutning der den beskyttende passive filmen har brutt ned. Hvis overflaten er i en tilstand av gjenværende trykkspenning, må den påførte sykliske strekkspenningen først overvinne denne kompresjonen før materialet opplever netto spenning ved sprekkspissen. Dette øker effektivt terskelspenningen for sprekkinitiering. For en 0,9 mm 316 kappe med -280 MPa gjenværende kompresjon på overflaten, produserer en påført syklisk spenning på +200 MPa bare -80 MPa netto ved overflaten som er fortsatt kompressiv og ikke i stand til å starte en utmattelsessprekker. Bare når den påførte sykliske spenningen overstiger +280 MPa, opplever overflaten netto spenning. I motsetning til dette opplever en 2,0 mm kappe med bare -120 MPa overflatekompresjon netto spenning når påført spenning overstiger +120 MPa, en mye lavere terskel. Korrosjonsutmattelsestesting i syntetisk sjøvann ved 60°C bekrefter denne effekten. Prøver med 0,9 mm veggtykkelse og høy gjenværende kompresjon overlevde 10 millioner sykluser ved 250 MPa påført vekselspenning uten sprekkinitiering. Prøver med 2,0 mm veggtykkelse og lav gjenværende kompresjon mislyktes etter 2 millioner sykluser ved samme påførte spenning. Den tynnere kappen ga fem ganger lengre levetid for korrosjonsutmatting til tross for at den hadde mindre absolutt veggtykkelse.
Avveiningen-mellom gjenværende stressfordeler og veggtykkelsesmargin
Korrosjonsutmattingsfordelen med tynne-vegger må balanseres mot den reduserte materialmarginen når en sprekk starter. En 0,9 mm kappe med høy gjenværende kompresjon kan motstå sprekkinitiering i millioner av sykluser. Men når en sprekk overvinner restspenningsfeltet-for eksempel på grunn av en stor overflategrop eller en forbigående overbelastning-må den forplante seg gjennom bare 0,9 mm materiale før perforering. En 2,0 mm kappe med lavere gjenværende kompresjon kan starte en sprekk etter færre sykluser, men sprekken må gå gjennom 2,0 mm for å forårsake svikt. Det totale livet til feil er summen av initieringsliv og forplantningsliv. Eksperimentelle data fra korrosjonsutmattingstester for roterende bjelker i 60°C sjøvann viser følgende totale sykluser til svikt for 10 mm OD 316 kapper ved 200 MPa vekselspenning. En 0,8 mm kappe oppnådde totalt 12 millioner sykluser (11,5 millioner initiering, 0,5 millioner forplantning). En 1,2 mm kappe oppnådde 8 millioner sykluser (7 millioner initiering, 1 million forplantning). En 1,6 mm kappe oppnådde 5 millioner sykluser (3 millioner initiering, 2 millioner forplantning). En 2,0 mm kappe oppnådde 3,5 millioner sykluser (1,5 millioner initiering, 2 millioner forplantning). Den tynne-veggede kappen med høy gjenværende kompresjon gir den lengste totale levetiden til tross for dens minimale spredningsmargin.
Korrosjonsutmattelse Livsutvalgsmatrise for marine miljøer
Følgende tabell gir anbefalte 316 kappeveggtykkelser for elektriske varmeovner i marine miljøer basert på forventet syklisk spenningsamplitude og nødvendig levetid. Verdiene forutsetter kontinuerlig eksponering for sjøvann eller brakkvann ved 30–60 °C og standard smiddingsprosesser uten etter-spylingglødning.
| Forventet syklisk stressamplitude | Nødvendig levetid | Anbefalt 316 kappeveggtykkelse | Dominant feilmodus | Designbegrunnelse |
|---|---|---|---|---|
| lav (< 50 MPa) | >10 år | 1,2 – 1,6 mm | Spaltekorrosjon | Reststress fordel mindre viktig; korrosjonstilskudd driver tykkelse |
| Moderat (50–150 MPa) | 5 – 10 år | 1,0 – 1,2 mm | Korrosjonsutmattelsesinitiering | Tynnvegg gir høy gjenværende kompresjon for sprekkforebygging |
| Moderat (50–150 MPa) | >10 år | 1,4 – 1,6 mm med post-swaggløding | Formering etter initiering | Gløding fjerner gjenværende stressfordel; stole på tykkelsesmargin |
| Høy (150–250 MPa) | 3 – 5 år | 0,8 – 1,0 mm | Korrosjonsutmattelsesinitiering | Maksimal gjenværende kompresjon viktig; godta kortere levetid |
| Høy (150–250 MPa) | >5 år | Ikke mulig med 316 | Overbelastning eller rask sprekkdannelse | Oppgrader til Incoloy 825 eller titan |
| Variabel med hyppige overbelastninger | Noen | 1,6 – 2,0 mm | Formering etter uventet sprekk | Tykkelsesmargin beskytter mot uforutsigbare hendelser |
For applikasjoner der sykliske spenninger oppstår fra vibrasjoner, termisk ekspansjonssyklus eller trykksvingninger, er måling eller estimering av spenningsamplituden avgjørende. Hvis måling er umulig, er det en konservativ standard å anta et moderat spenningsnivå på 100 MPa. I slike tilfeller gir en 1,2 mm veggtykkelse den beste balansen mellom gjenværende spenningsfordel og forplantningsmargin. Ingeniører bør også vurdere å spesifisere post-swaggløding for tykke-vegger som er beregnet for høy-applikasjoner. Gløding ved 1050 °C fjerner restspenninger fullstendig, eliminerer korrosjonsutmattingsfordelen ved tynne vegger, men eliminerer også restspenningene på den indre overflaten som kan bidra til sprekkforplantning. En glødet 1,6 mm kappe oppfører seg på samme måte som en ikke-glødet 1,2 mm kappe når det gjelder total utmattingslevetid, og gir en alternativ vei for å oppnå lang levetid uten å stole på tynne vegger. Valget mellom tynne vegger med høy restspenning og tykke vegger med gløding avhenger av produksjonsevne og kostnad. For de fleste marine applikasjoner der vibrasjoner er tilstede, men ikke alvorlige, gir en 1,2–1,4 mm veggtykkelse med standard smyging pålitelig korrosjonsutmattingsytelse uten å kreve spesiell behandling.
