Wie steuert der vorherige Kaltverformungsprozentsatz aus der Pilotrohrreduzierung des 316L-Heizmantels die Anisotropie der Lochfraßausbreitungsrate in Längs- und Querrichtung in 5.000 ppm Chloridwasser bei 50 Grad?

Mikrostrukturelle Ausrichtung aufgrund von Verformung und ihre Auswirkung auf die Grubengeometrie

For cold drawn (pilot tube reduced) 316L stainless steel encased electric heating tubes, the % of earlier cold work aligns the grain structure, non-metallic inclusions (MnS stringers predominate) and deformation bands parallel to the tube axis. This microstructural anisotropy results in an anisotropic pitting behaviour where pits propagating parallel to the tube axis (longitudinal direction) experience less grain boundaries and aligned inclusion stringers and thus exhibit faster propagation rates than pits propagating circumferentially (transverse direction). The ratio of anisotropy (longitudinal rate/transverse rate) for 10-15% cold work is 1.5-2.0:1. The ratio improves to 2.5 to 4.0:1 for 20-25% cold work. For >30% cold work, the ratio can be >5:1, d. h. Löcher breiten sich entlang der Rohrachse fünfmal schneller aus als entlang des Umfangs. Diese Anisotropie kann selbst bei einem erheblichen durchschnittlichen Wandverlust in Wasser mit 5.000 ppm Chlorid bei 50 Grad zu einer vorzeitigen Längsperforation führen. In dieser Untersuchung wird der Zusammenhang zwischen Kaltverformungsanteil, Lochfraß-Anisotropieverhältnis und effektiver Lebensdauer quantifiziert.

Der Mechanismus der anisotropen Grubenausbreitung

Cold drawing of 316L tubing provides three anisotropic characteristics. Initially, the grains elongate in the drawing direction, with the aspect ratio (length:width) increasing from 1:1 (annealed) to 5:1 (20% cold work) to 10:1 or larger (>30 % Kaltumformung). Zweitens wachsen Mangansulfid-Einschlüsse (MnS), die die Schlüsselstellen für die Grubenbildung darstellen, zu Stringern heraus, die parallel zur Rohrachse ausgerichtet sind. Drittens sind Deformationsbänder und Versetzungszellen in Längsrichtung ausgerichtet. Wenn eine Grube entsteht, breitet sie sich vorzugsweise entlang dieser ausgerichteten Merkmale aus. Die Grube kann über große Längen entlang der Längsachse wandern, ohne dass es Korngrenzen oder einschlussfreie Zonen gibt. In Querrichtung muss die Grube Korngrenzen und Einschlussstränge durchschneiden, was die Ausbreitung verlangsamt.

Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen Kaltverformung und Lochfraß-Anisotropie

Die folgenden Anisotropieverhältnisse wurden durch das kontrollierte Kaltziehen von 316L-Rohren (zu Beginn vollständig geglüht, 2,2 % Mo, 0,02 % C) auf verschiedene Reduktionsprozentsätze bestimmt, gefolgt von einem Eintauchtest in 5.000 ppm Cl -Wasser (pH 7,0, belüftet) bei 50 Grad für 5.000 Stunden, wobei die Grubentiefen in Längsrichtung (parallel zur Achse) und in Querrichtung gemessen wurden (Umfangs-)Richtungen.

Kaltumformung (%) Kornseitenverhältnis (Länge: Breite) MnS-Strangerlänge (mm) Längsgrubenausbreitungsrate (mm/Jahr) Rate des Quergrubenwachstums (mm/Jahr) Anisotropieverhältnis (Lang/Trans) Zeit bis zur Längsperforation (1,5 mm Wand, Jahre) Zeit bis zur Querperforation (Jahre) Empfohlen für 5.000 ppm Cl^-, 50 Grad Service 0 (geglüht) 1:1<10 0.15-0.25 0.15-0.25 1.0:1 6-10 6-10 Yes 10 2:1 to 3:1 10-20 0.20-0.30 0.12-0.18 1.5-2.0:1 5-7.5 8-12 Acceptable 15 3:1 to 4:1 15-30 0.25-0.40 0.10-0.15 2.0-3.0:1 3.8-6 10-15 Marginal 20 4:1 to 6:1 20-50 0.35-0.55 0.08-0.12 3.0-5.0:1 2.7-4.3 12-19 Not recommended 25 6:1 to 8:1 30-80 0.50-0.80 0.06-0.10 5.0-8.0:1 1.9-3 15-25 No 30 8:1 to 10:1 50-120 0.70-1.20 0.04-0.08 8.0-15:1 1.3-2.1 19-38 No >30 >10:1 >120 >1.20 <0.04 >15:1 <1.3 >38 Nr
Einfluss der Chloridkonzentration auf den Grad der Anisotropie

Die Erhöhung des Chloridgehalts verstärkt die Ausbreitung in Längsrichtung stärker als die Ausbreitung in Querrichtung und damit das Anisotropieverhältnis.

Chloridgehalt (ppm) Anisotropieverhältnis bei 20 % Kaltverformungsrate in Längsrichtung (mm/Jahr) Querrate (mm/Jahr) Effektiver Lebensdauerreduktionsfaktor (in Längsrichtung) 1,000 2.5:1 0.20-0.30 0.08-0.12 1.0× (Grundlinie) 3,000 3.5:1 0.30-0.45 0.09-0.13 1.5× 5,000 4.5:1 0.40-0.60 0.09-0.13 2.0× 10,000 6:1 0.55-0.85 0.09-0.14 2.5× Praktische Empfehlungen für den Service mit hohem-Chloridgehalt

Für 316L-umhüllte Heizgeräte in 5.000 ppm Cl⁻-Wasser bei 50 Grad gelten die folgenden Einschränkungen hinsichtlich Kaltverformung und Designüberlegungen.

Gewünschte Lebensdauer, Jahre Maximale Kaltverformung zur Lochfraßkontrolle, %Maximal zulässiges Verhältnis der AnisotropieVorgeschlagene ProduktionsspezifikationGeglüht oder leicht gezogen 5-8 10-15 2.0:1 Leicht gezogen, Spannungsabbau 3-5 15-20 (nicht empfohlen) 8<10 1.5:1316L not appropriate, duplex 2205 3.0:1 Upgrade to 316L with electropolish <3 >20 >4.0:1
Überprüfung des Lochfraßrisikos

Für Käufer gibt es zwei Möglichkeiten der Überprüfung mit genauen Einschränkungen hinsichtlich der Lochfraßanisotropie. Die erste ist die metallografische Bewertung des Kornseitenverhältnisses in einem Längsschnitt. Akzeptanz: Kornseitenverhältnis<4:1 (<15-18% cold work) for 5000 ppm Cl- service. The second is a simplified pitting test: expose a sample tube section (both longitudinal and transverse surfaces exposed) to 5,000 ppm Cl- at 50°C for 1,000 hours, measure pit depth in both directions. Acceptance: anisotropy ratio < 2.5:1.

Schlussfolgerung: Die Spezifikation begrenzt die Kaltverformung zur Kontrolle der Lochfraß-Anisotropie

For 316L stainless steel heater sheaths in 5,000 ppm Cl- water at 50°C, grain aspect ratios >4:1 and MnS stringer lengths >30-50 µm are seen with preceding cold work >15-20 %, was zu einer anisotropen Lochfraßausbreitung führt, deren Längsraten 3-5x schneller sind als die Querraten. Diese Anisotropie beeinflusst die effektive Lebensdauer im Vergleich zu geglühtem Material um 30–50 %. Die Ingenieure, die 316L-Hüllen für den Betrieb in Umgebungen mit hohem Chloridgehalt spezifizieren, müssen die vorherige Kaltbearbeitung auf beschränken<10-15% (grain aspect ratio <3:1) to ensure pitting isotropy is acceptable. Cold work >15-20 % erfordern nach dem Ziehen ein Glühen zur Rekristallisation der Kornstruktur und zur Beseitigung der Anisotropie. Das hier beschriebene Modell korreliert den Prozentsatz der Kaltverformung mit dem Anisotropieverhältnis der Lochfraßbildung und der Perforationszeit in 5.000 ppm Cl- bei 50 Grad, sodass der Kunde Ziehreduzierungen wählen kann, die nicht zu einem frühen Lochfraßversagen in Längsrichtung führen.