Wie beeinflusst die Wandstärke des Mantels aus Edelstahl 316 die Restspannungsverteilung nach dem Stauchen und ihre Auswirkung auf die Korrosionsermüdungslebensdauer in Meeresumgebungen?

Korrosionsermüdung ist ein besonders aggressiver Ausfallmechanismus für elektrische Tauchsieder, der von Schiffsingenieuren für Offshore-Plattformen, Bordsysteme und Küstenindustrieanlagen spezifiziert wird, wenn zyklische mechanische Belastung und Chloridkorrosion kombiniert werden. Korrosionsermüdung führt zur Rissbildung bei viel geringeren Spannungsamplituden und kürzeren Zyklenlebensdauern als reine Ermüdung an Luft oder reine Korrosion unter statischen Bedingungen. Die durch das Stauchen erzeugten Eigenspannungen (die die Magnesiumoxid-Isolierung um den Widerstandsdraht verdichten) interagieren mit Betriebsspannungen und beschleunigen oder verzögern die Bruchbildung je nach Vorzeichen und Größe. Dieser Artikel quantifiziert die Auswirkung der Mantelwanddicke auf die Verteilung der Eigenspannungen nach dem Stauchen und die Auswirkung dieser Eigenspannungen auf die Korrosionsermüdungslebensdauer in einer Meeresumgebung.

Erzeugung von Eigenspannungen beim Stauchen von 316-Hüllen
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 mm), die nur nahe der Außenoberfläche starke Druckspannungen entwickeln, während die inneren Schichten weitgehend unberührt bleiben. Die Zugspannungen an der Innenfläche sind aufgrund der weniger vollständigen MgO-Verdichtung gemäß Artikel 12 ebenfalls geringer. Dieser Zusammenhang wurde durch Röntgenbeugungsmessungen der Eigenspannung in den gestauchten 316-Hüllen bestätigt. Bei einem 0,9 mm dicken Wandmantel betrug die Oberflächendruckspannung -280 MPa. Ein 1,5 mm dicker Wandmantel hatte einen Wert von -180 MPa. Der 2,0 mm dicke Wandmantel zeigte nur -120 MPa. Die dünnere Hülle speichert vorteilhaftere Druckspannungen an der Außenfläche, dem Ort, an dem der Korrosionsermüdungsbruch beginnt.

Die Auswirkung der Restdruckspannung auf die Entstehung von Korrosionsermüdungsrissen
Die zyklische Zugbeanspruchung und der korrosive Elektrolyt, der Chloride enthält, verursachen Korrosionsermüdungsbrüche in Edelstahl 316. Der Riss beginnt an einer Vertiefung oder einem Einschluss an der Oberfläche, wo die passive Schutzschicht versagt hat. Wenn an der Oberfläche ein Restdruckspannungszustand vorhanden ist, muss die angelegte zyklische Zugspannung diese Kompression überwinden, um eine Nettospannung an der Rissspitze zu erzeugen. Dadurch wird die Schwellenspannung für die Rissentstehung deutlich erhöht. Bei einer 0,9 mm dicken 316-Hülle mit -280 MPa Restkompression an der Oberfläche führt eine angelegte zyklische Spannung von +200 MPa zu nur -80 MPa netto an der Oberfläche, die immer noch unter Druck steht und keinen Ermüdungsriss auslösen kann. Nur die zyklische Spannung über + 280 MPa erzeugt die Nettospannung an der Oberfläche. Im Vergleich dazu steht ein 2,0-mm-Mantel mit einer Oberflächenkompression von nur -120 MPa unter Nettospannung, wenn die angelegte Spannung größer als +120 MPa ist, ein weitaus niedrigerer Schwellenwert. Korrosionsermüdungstests in synthetischem Meerwasser bei 60 Grad bestätigen diesen Effekt. Proben mit einer Wandstärke von 0,9 mm und erheblicher Restkompression überstanden 10 Millionen Zyklen bei 250 MPa angelegter Wechselbeanspruchung ohne Rissbildung. Bei gleicher Belastung versagten Proben mit geringer Restkompression und 2,0 mm Wandstärke nach 2 Millionen Zyklen. Der dünnere Mantel führte trotz geringerer absoluter Wandstärke zu einer fünfmal längeren Korrosionsermüdungslebensdauer.

Kompromiss-Kompromiss zwischen Restspannungsvorteil und Wandstärkenspielraum
Dünnwandige Hüllen haben einen Vorteil bei der Korrosionsermüdung, dieser muss jedoch gegen die geringere Materialspanne abgewogen werden, falls es zu Rissen kommt. Der 0,9-mm-Mantel mit erheblicher Restkompression kann einer Rissbildung über Millionen von Zyklen hinweg widerstehen. Sobald ein Riss jedoch das Eigenspannungsfeld überwindet, beispielsweise aufgrund einer großen Grube an der Oberfläche oder einer kurzen Überlastung, muss er sich nur durch 0,9 mm Material ausbreiten, um eine Perforation zu verursachen. Eine 2,0-mm-Hülle mit geringerer Restkompression kann bei weniger Zyklen zu einem Riss führen, aber der Riss muss sich über 2,0 mm erstrecken, um ein Versagen auszulösen. Die Gesamtlebensdauer bis zum Scheitern ist die Summe aus Initiationsleben und Ausbreitungsleben. Die Ergebnisse des Rotationsstrahl-Korrosionsermüdungstests in 60 °C warmem Meerwasser werden verwendet, um die folgenden Gesamtzyklen bis zum Versagen für 316-Hüllen mit 10 mm Außendurchmesser und 200 MPa Wechselbeanspruchung zu veranschaulichen. Eine 0,8-mm-Hülle hatte insgesamt 12 Millionen Zyklen (11,5 Millionen Start, 0,5 Millionen Ausbreitung). Eine 1,2-mm-Hülle schaffte 8 Millionen Zyklen (1 Million Ausbreitung, 7 Millionen Start) . 5 Millionen Zyklen (3 Millionen Start, 2 Millionen Ausbreitung) für eine 1,6-mm-Hülle. Eine 2,0-mm-Hülle überlebte 3,5 Millionen Zyklen (1,5 Millionen Initiierung, 2 Millionen Ausbreitung). Der Ausbreitungsspielraum ist gering, aber die starke Restkompression der dünnwandigen Hülle führt zu einer langen Gesamtlebensdauer.

Auswahlmatrix für die Lebensdauer durch Korrosion und Ermüdung in der Meeresumwelt
Die folgende Tabelle zeigt die empfohlenen 316-Mantelwandstärken für elektrische Tauchsieder im Schiffseinsatz in Abhängigkeit von der geschätzten zyklischen Belastungsamplitude und der erforderlichen Lebensdauer. Die Werte gelten für eine kontinuierliche Einwirkung von Meer- oder Brackwasser bei 30–60 Grad und auch für normale Gesenktechniken ohne Nachglühen.

Erwartete zyklische Spannungsamplitude. Erforderliche Lebensdauer. Empfohlene Wandstärke des Mantels 316. Dominanter Fehlermodus. Design-Rationale
Niedrig (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Mäßig (50 – 150 MPa) 5 – 10 Jahre 1,0 – 1,2 mm Korrosionsermüdungsbeginn Dünne Wand für hohe Restkompression zur Vermeidung von Rissen
Mäßig (50 – 150 MPa) > 10 Jahre 1,4 – 1,6 mm mit Post--Gesenkglühen Ausbreitung nach dem Initiieren Glühen reduziert Restspannungsvorteil; Verlassen Sie sich auf den Dickenspielraum
Hoch (150 – 250 MPa) 3 – 5 Jahre 0,8 – 1,0 mm Beginn der KorrosionsermüdungMaximale Restkompression ein Muss; verkürzte Lebensdauer akzeptabel.
Hoch (150 – 250 MPa) > 5 Jahre. Nicht geeignet für 316LO-Überlastung oder schnelle Rissbildung. Upgrade auf Incoloy 825 oder Titan
Variabel bei häufiger Überlastung. Jegliche Ausbreitung von 1,6 – 2,0 mm nach unerwartetem Riss. Der Dickenspielraum schützt vor stochastischen Ereignissen
Bei Anwendungen, bei denen zyklische Spannungen durch Vibrationen, thermische Ausdehnungszyklen oder Druckänderungen induziert werden, ist es wichtig, die Spannungsamplitude messen oder abschätzen zu können. In Ermangelung einer Messung ist ein moderates Spannungsniveau von 100 MPa ein vorsichtiger Standardwert. In diesen Fällen bietet die Wandstärke von 1,2 mm den optimalen Kompromiss zwischen dem Vorteil der Eigenspannung und dem Spielraum für die Ausbreitung. Ingenieure sollten auch darüber nachdenken, für dickwandige Hüllen, die in Hochzyklusanwendungen verwendet werden, ein Nachglühen nach dem Pressen zu empfehlen. Durch das Glühen bei 1050 Grad werden Restspannungen und damit der Korrosionsermüdungsvorteil dünner Wände vollständig entfernt, aber auch die Zugeigenspannungen an der Innenfläche, die zur Bruchausbreitung führen können. Eine geglühte 1,6-mm-Hülle hat eine ähnliche Gesamtermüdungslebensdauer wie eine ungeglühte 1,2-mm-Hülle und bietet einen alternativen Ansatz, um eine lange Lebensdauer zu erreichen, ohne auf dünne Wände angewiesen zu sein. Die Herstellungsfähigkeit und -kosten hängen von schmalen Wänden mit hoher Eigenspannung oder dicken Wänden mit Glühen ab. Bei den meisten Schiffsanwendungen mit vorhandenen, aber nicht starken Vibrationen bietet eine Wandstärke von 1,2 bis 1,4 mm bei normalem Stauchen eine zuverlässige Korrosionsermüdungsleistung ohne zusätzliche Bearbeitung.