Meriinsinööreille, jotka määrittävät sähköisiä uppolämmittimiä offshore-lauttoja, laivajärjestelmiä ja rannikkoteollisuutta varten, syklisen mekaanisen kuormituksen ja kloridikorroosion yhdistelmä luo erityisen aggressiivisen vikamekanismin, joka tunnetaan nimellä korroosioväsymys. Toisin kuin puhdas väsyminen ilmassa tai puhdas korroosio staattisissa olosuhteissa, korroosioväsymys aiheuttaa halkeamien alkamista huomattavasti pienemmillä jännitysamplitudeilla ja lyhyemmällä käyttöiällä. Puristusprosessin aikana esiintyvät jäännösjännitykset, joita käytettiin magnesiumoksidieristeen tiivistämiseen vastuslangan ympärille-, ovat vuorovaikutuksessa käyttöjännitysten kanssa joko kiihdyttäen tai hidastaen halkeamien kasvua niiden merkistä ja suuruudesta riippuen. Tässä artikkelissa mitataan kuinka 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan seinämän paksuus vaikuttaa jäännösjännityksen jakautumiseen hankaamisen jälkeen ja kuinka nämä jäännösjännitykset muokkaavat korroosion väsymisikää meriympäristöissä.
Jäännösstressin syntyminen 316 vaipan siivoamisen aikana
Kun ruostumattomasta teräksestä valmistettu 316-putki muutetaan suuremmasta halkaisijasta pienempään halkaisijaan MgO-täytetyn sydämen ympärillä, prosessi indusoi tyypillisen jäännösjännityskuvion. Vaipan ulkopintaan kohdistuu puristusjäännösjännityksiä, koska muottimet vasaroivat materiaalia sisäänpäin, kun taas sisäpintaan kohdistuu vetojännityksiä, kun tiivistetty MgO työntyy ulospäin elastisen takaisinjouston aikana. Näiden jäännösjännitysten suuruus riippuu seinämän paksuudesta suhteessa halkaisijan pienenemiseen. Alle 1,0 mm:n ohuessa -seinämäisessä vaipassa iskeytymisvoima tunkeutuu lähes koko seinämän paksuuteen, mikä aiheuttaa suuria puristusjännityksiä ulkopinnalle, tyypillisesti -200 - -300 MPa, ja kohtalaisia vetojännityksiä sisäpinnalle, +50} - {{10. Jos paksuseinämäinen vaippa on yli 1,8 mm, iskuvoima absorboituu ensisijaisesti ulompiin kerroksiin, mikä tuottaa suuria puristusjännityksiä vain lähellä ulkopintaa jättäen sisempiin kerroksiin suhteellisen ennallaan. Sisäpinnan vetojännitykset ovat myös pienemmät, koska MgO-tiivistyminen ei ole yhtä täydellistä. Jäännösjännityksen röntgendiffraktiomittaukset 316:ssa vaipassa vahvistavat tämän suhteen. 0,9 mm:n seinävaipan pintapuristusjännitys oli -280 MPa. 1,5 mm seinävaippa näytti -180 MPa. 2,0 mm:n seinävaippa osoitti vain -120 MPa. Ohuempi vaippa varastoi edullisemman puristusjännityksen ulkopinnalle, joka on paikka, jossa korroosioväsymyshalkeamat tyypillisesti alkavat.
Kuinka jäännöspuristusjännitys hidastaa korroosion väsymishalkeaman alkamista
Ruostumattoman 316-teräksen korroosion väsymishalkeamien alkaminen vaatii sekä syklistä vetojännitystä että syövyttävää kloridia sisältävää elektrolyyttiä. Halkeama alkaa pintakuopasta tai sulkeutumasta, josta suojaava passiivinen kalvo on rikkoutunut. Jos pinta on jäännöspuristusjännityksen tilassa, käytetyn syklisen vetojännityksen on ensin voitettava tämä puristus ennen kuin materiaali kokee nettojännityksen halkeaman kärjessä. Tämä nostaa tehokkaasti halkeaman alkamisen kynnysjännitystä. 0,9 mm:n 316 vaippalle, jossa on -280 MPa:n jäännöspuristus pintaan, kohdistettu +200 MPa:n syklinen jännitys tuottaa vain -80 MPa nettopinnan, joka pysyy puristuvana eikä kykene aiheuttamaan väsymissäröä. Pintaan kohdistuu nettojännitystä vain silloin, kun kohdistettu syklinen jännitys ylittää +280 MPa. Sitä vastoin 2,0 mm:n vaippa, jonka pintapuristus on vain -120 MPa, kokee nettojännityksen, kun kohdistettu jännitys ylittää +120 MPa, mikä on paljon matalampi kynnys. Korroosioväsymystesti synteettisessä merivedessä 60°C:ssa vahvistaa tämän vaikutuksen. Näytteet, joiden seinämäpaksuus oli 0,9 mm ja joissa oli suuri jäännöspuristus, selvisivät 10 miljoonaa jaksoa 250 MPa:n jännitteellä ilman halkeamia. Näytteet, joiden seinämäpaksuus oli 2,0 mm ja joilla oli pieni jäännöspuristus, epäonnistuivat 2 miljoonan syklin jälkeen samalla jännityksellä. Ohuempi vaippa tarjosi viisi kertaa pidemmän korroosioväsymisiän, vaikka absoluuttinen seinämänpaksuus oli pienempi.
Jäljellä olevan stressiedun ja seinän paksuusmarginaalin vaihto-
Ohutseinäisten{0}}vaippaiden korroosioväsymisetu on tasapainotettava alentuneeseen materiaalimarginaaliin, kun halkeama alkaa. 0,9 mm:n vaippa, jossa on korkea jäännöspuristus, voi vastustaa halkeamien alkamista miljoonien jaksojen ajan. Kuitenkin, kun halkeama ylittää jäännösjännityskentän, ehkä suuren pintakuopan tai ohimenevän ylikuormituksen vuoksi, sen täytyy levitä vain 0,9 mm materiaalin läpi ennen rei'itystä. 2,0 mm:n vaippa, jossa on pienempi jäännöspuristus, voi aiheuttaa halkeaman harvempien jaksojen jälkeen, mutta halkeaman täytyy kulkea 2,0 mm:n läpi aiheuttaakseen vian. Kokonaiselämä epäonnistumiseen on alku- ja etenemisajan summa. Kokeelliset tiedot pyörivän säteen korroosioväsymystesteistä 60 °C:n merivedessä osoittavat seuraavat kokonaisjaksot rikkoutumiseen 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan 316 vaippalle 200 MPa:n vaihtelevalla jännityksellä. 0,8 mm:n vaippa saavutti yhteensä 12 miljoonaa sykliä, joista 11,5 miljoonaa aloitettiin ja 0,5 miljoonaa etenemistä. 1,2 mm:n vaippa saavutti 8 miljoonaa sykliä, joista 7 miljoonaa aloitettiin ja 1 miljoona etenemistä. 1,6 mm:n vaippa saavutti 5 miljoonaa sykliä, joista 3 miljoonaa aloitettiin ja 2 miljoonaa etenemistä. 2,0 mm:n vaippa saavutti 3,5 miljoonaa sykliä, joista 1,5 miljoonaa aloitettiin ja 2 miljoonaa etenemistä. Ohut{35}}seinämäinen vaippa, jossa on suuri jäännöspuristus, tarjoaa pisimmän kokonaiskäyttöiän minimaalisesta etenemismarginaalistaan huolimatta.
Korroosioväsymyselämän valintamatriisi meriympäristöihin
Seuraavassa taulukossa on suositeltu 316 vaipan seinämäpaksuus sähkösähkölämmittimille meriympäristöissä perustuen odotettavissa olevaan sykliseen jännitysamplitudiin ja vaadittuun käyttöikään. Arvot edellyttävät jatkuvaa altistusta merivedelle tai murtovedelle 30–60 °C:ssa ja tavanomaisia huuhteluprosesseja ilman jälki{4}}hehkutusta.
| Odotettu syklinen stressin amplitudi | Vaadittu käyttöikä | Suositeltu vaipan seinämän paksuus 316 | Dominant Failure Mode | Suunnittelun perustelut |
|---|---|---|---|---|
| Matala, alle 50 MPa | Yli 10 vuotta | 1,2-1,6 mm | Rakokorroosio | Jäljellä oleva stressi hyöty vähemmän tärkeä; korroosiovara ajaa paksuutta |
| Keskitaso, 50 - 150 MPa | 5-10 vuotta | 1,0-1,2 mm | Korroosion väsymisen alkaminen | Ohut seinämä tarjoaa korkean jäännöspuristuksen halkeamien estämiseksi |
| Keskitaso, 50 - 150 MPa | Yli 10 vuotta | 1,4 – 1,6 mm jälki-muovaushehkutuksella | Lisääntyminen aloituksen jälkeen | Hehkutus poistaa jäännösstressiedun; luottaa paksuusmarginaaliin |
| Korkea, 150 - 250 MPa | 3-5 vuotta | 0,8-1,0 mm | Korroosion väsymisen alkaminen | Suurin jäännöspuristus välttämätön; hyväksy lyhyempi käyttöikä |
| Korkea, 150 - 250 MPa | Yli 5 vuotta | Ei toteutettavissa 316:lla | Ylikuormitus tai nopea halkeilu | Päivitä Incoloy 825:een tai titaaniin |
| Muuttuva toistuvilla ylikuormituksilla | Mikä tahansa käyttöikä | 1,6 - 2,0 mm | Levitys odottamattoman halkeilun jälkeen | Paksuusmarginaali suojaa ennakoimattomilta tapahtumilta |
Sovelluksissa, joissa sykliset jännitykset johtuvat tärinästä, lämpölaajenemisjaksoista tai paineenvaihteluista, jännitysamplitudin mittaus tai arviointi on välttämätöntä. Jos mittaaminen on mahdotonta, oletuksena kohtalainen 100 MPa jännitystaso on konservatiivinen oletus. Tällaisissa tapauksissa 1,2 mm:n seinämän paksuus tarjoaa parhaan tasapainon jäännösjännityksen hyödyn ja etenemismarginaalin välillä. Insinöörien tulisi myös harkita jälki-muovaushehkutuksen määrittämistä paksuseinäisille-vaippoille, jotka on tarkoitettu korkean syklin{7}}sovelluksiin. Hehkutus 1 050 °C:ssa poistaa jäännösjännitykset kokonaan ja eliminoi ohuiden seinien korroosioväsymysedun, mutta myös sisäpinnan vetojännityksiä, jotka voivat edistää halkeamien leviämistä. Hehkutettu 1,6 mm:n vaippa käyttäytyy samalla tavalla kuin hehkuttamaton 1,2 mm:n suojus kokonaisväsymisiän suhteen, mikä tarjoaa vaihtoehtoisen tavan saavuttaa pitkä käyttöikä ilman ohuita seiniä. Valinta ohuiden seinien välillä, joissa on suuri jäännösjännitys, ja paksujen seinien välillä, joissa on hehkutus, riippuu valmistuskyvystä ja kustannuksista. Useimmissa merisovelluksissa, joissa tärinää esiintyy, mutta se ei ole voimakasta, 1,2–1,4 mm:n seinämävahvuus standardileikkauksella tarjoaa luotettavan korroosioväsymiskyvyn ilman erityiskäsittelyä.
