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 amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) wird die Stauchungskraft größtenteils in den Außenschichten absorbiert und große Druckspannungen werden nur in der Nähe der Außenoberfläche erzeugt, während die Innenschichten relativ unbeeinflusst bleiben. Aufgrund der weniger vollständigen Verdichtung von MgO werden auch die Zugspannungen an der Innenoberfläche verringert. Die Röntgenbeugungsuntersuchungen der Eigenspannung in gestauchten 316-Hüllen bestätigen diese Korrelation. Bei einem 0,9 mm dicken Wandmantel betrug die Oberflächendruckspannung -280 MPa. Eine 1,5-mm-Wandhülle ergab -180 MPa. 2.0 mm Wandhülle ergab nur -120 MPa. Der dünnere Mantel hat eine günstigere Druckspannung an der Außenfläche, wo sich im Allgemeinen Korrosionsermüdungsrisse bilden.

Rolle der Restdruckspannung bei der Verzögerung der 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 erhöht sich der zur Rissauslösung erforderliche Spannungspegel deutlich. Wenn die Oberflächenrestkompression -280 MPa beträgt und die angelegte zyklische Spannung +200 MPa beträgt, beträgt der Nettowert an der Oberfläche -80 MPa. Dieser steht immer noch unter Druck und kann keinen Ermüdungsriss auslösen. Nettospannung liegt nur vor, wenn die zyklische Spannung über +280 MPa liegt. 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 °C 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. Eine 0,9-mm-Hülle mit erheblicher Restkompression kann einer Rissbildung über Millionen von Zyklen standhalten. Jeder Riss jedoch, der das Eigenspannungsfeld überwunden hat, sei es durch eine große Oberflächengrube oder eine vorübergehende Überlastung, muss sich vor der Perforation nur durch 0,9 mm Material ausbreiten. Eine 2,0-mm-Hülle mit geringerer Restkompression kann in weniger Zyklen einen Riss hervorrufen, der Riss muss sich jedoch um 2,0 mm ausbreiten, um zum Versagen zu führen. Gesamtlebensdauer bis zum Versagen=Anfangslebensdauer + Ausbreitungslebensdauer Der Korrosionsermüdungstest in Salzwasser bei 60 °C in einem Rotationsbalkengerät ergibt die folgenden Gesamtzyklen bis zum Versagen für 316-Hüllen mit 10 mm Außendurchmesser und 200 MPa Wechselbeanspruchung. Eine 0,8-mm-Hülle erreichte insgesamt 12 Millionen Zyklen, 11,5 Millionen für die Initiierung und 0,5 Millionen für die Ausbreitung. Die 1,2-mm-Hülle hielt 8 Millionen Zyklen stand, 7 Millionen für die Initiierung und 1 Million für die Ausbreitung. Die 1,6-mm-Hülle überstand 5 Millionen Zyklen (3 Millionen für die Initiierung und 2 Millionen für die Ausbreitung). Die 2,0-mm-Hülle durchlief 3,5 Millionen Zyklen, davon 1,5 Millionen für die Initiierung und 2 Millionen für die Ausbreitung. Der dünnwandige Mantel weist die höchste Restkompression und die längste Gesamtlebensdauer auf, obwohl der Ausbreitungsspielraum gering ist.

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 Meerwasser oder Brackwasser bei 30–60 °C und auch für normale Gesenktechniken ohne Nachglühen.

Erwartete Amplitude der zyklischen Beanspruchung, erforderliche Lebensdauer, empfohlene Wandstärke des Mantels 316, dominante Versagensart, Design-Rationale
Gering, unter 50 MPaÜber 10 Jahre 1,2 – 1,6 mm Korrosion in SpaltenDicke abhängig vom Korrosionszuschlag, Eigenspannungsvorteil weniger signifikant
Mäßig, 50 – 150 MPa 5 – 10 Jahre 1,0 – 1,2 mm Korrosionsermüdungsbeginn. Die dünne Wand sorgt für eine hohe Restkompression, um Rissbildung zu verhindern
Mäßig, 50 bis 150 MPa, 10 Jahre oder mehr, 1,4 – 1,6 mm mit Nachglühen nach dem Gesenk. Ausbreitung vom Ursprung. Glühen verringert den Vorteil der Restspannung; Dickenrand verwenden
Hoch, 150 – 250 MPa 3 – 5 Jahre 0,8 – 1,0 mm KorrosionsermüdungsbeginnAkzeptanz kurze Lebensdauer, maximale Restkompression unerlässlich
High, 150 – 250 MPa>5 Jahre316 Nicht möglichÜberlastung oder schnelle Rissbildung. Durch Incoloy 825 oder Titan ersetzen
Variabel mit vielen Überladungen. Beliebige Lebensdauer 1,6 – 2,0 mm Propag. Nach unerwarteten Rissen schützt der Dickenspielraum vor unvorhergesehenen 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 Wahl zwischen dünnen Wänden mit hoher Eigenspannung oder dicken Wänden mit Glühung hängt von der Fertigungsmöglichkeit und den Kosten ab. Bei den meisten Schiffsanwendungen, bei denen Vibrationen vorhanden, aber nicht stark ausgeprägt sind, bietet normales Stauchen eine zuverlässige Korrosionsermüdungsleistung ohne zusätzliche Bearbeitung, wenn die Wandstärke im Bereich von 1,2 bis 1,4 mm liegt.