Unter welchem ​​spezifischen Wert der Zugeigenspannung geht der Heizmantel aus Edelstahl 316 in 500 ppm Chloridwasser bei 25 Grad Umgebungstemperatur vom Passivzustand zur Rissbildung über?

Schwellenspannung für Chlorid-SCC bei Raumtemperatur

Bei ummantelten elektrischen Heizrohren aus Edelstahl 316 in chloridhaltigem Wasser bei Umgebungstemperatur (25 Grad) in Anwendungen wie unbeheizten Lagertanks, Kaltwasserzirkulationssystemen oder saisonalen Geräten wird das Risiko von Chlorid-Spannungskorrosionsrissen (SCC) im Allgemeinen als gering angesehen, da die SCC von austenitischen Edelstählen im Allgemeinen über 60 Grad erfordert. Spätere Ausfälle vor Ort und Laborexperimente haben jedoch gezeigt, dass 316 bei 25 Grad in Wasser mit 500 ppm Chlorid bei ausreichender Zugeigenspannung reißen kann, die Schwellenspannung ist jedoch viel höher als bei erhöhten Temperaturen. Der entscheidende Parameter ist die Zugeigenspannung aus der Fertigung (Ziehen, Biegen, Richten) zuzüglich eventueller Zusatzspannungen. Bei 25 °C wird unterhalb einer Schwellenspannung in der Größenordnung von 80–90 % der Streckgrenze des Materials (165–185 MPa für das geglühte 316 mit 205 MPa Streckgrenze) keine Rissbildung beobachtet. Wenn die Belastung diesen Wert überschreitet, entstehen nach langen Induktionsperioden (6 Monate bis 2 Jahre) Risse, die langsam wachsen und nach 2–5 Jahren zum Versagen führen. In diesem Artikel wird der SCC-Schwellenwert von 316 Hüllen in 500 ppm Chloridwasser bei Raumtemperatur angegeben.

Der Mechanismus des Niedertemperatur-SCC

Für SCC von Edelstahl 316 in Chlorid sind drei Bedingungen erforderlich: eine anfällige Mikrostruktur (die normalerweise etwas Kaltverformung enthält), eine anhaltende Zugspannung und Chloridionen. Bei hohen Temperaturen (80-150 Grad) ist SCC auf einen schnellen Chloridtransport, langsame Repassivierungsraten und aggressive Chemie an der Rissspitze zurückzuführen. Bei 25 Grad ist die Aktivierungsenergie für SCC nicht Null, aber die Kinetik ist deutlich langsamer. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Spannungsschwelle für die Rissbildung mit sinkender Temperatur deutlich ansteigt. Dies ist auf den Anstieg der kritischen Bruchspitzendehnungsrate für die aktive Auflösung zurückzuführen, die höhere angelegte Spannungen erfordert. Geglühter 316 bei 25 °C in 500 ppm Cl- hat eine Schwellenspannung von etwa 165–185 MPa (80–90 % Ausbeute). Kaltverformter Werkstoff 316 hat eine niedrigere Schwellenspannung, da das Material eine höhere Streckgrenze, aber auch eine erhöhte Versetzungsdichte und möglicherweise etwas Martensit aufweist, das als Rissbildungsstelle dient.

25 Grad, 500 ppm Chlorid bestimmte Schwellenwerte für SCC

Die folgenden Schwellenwertbeziehungen wurden aus Dauerbelastungstests von Edelstahl 316 (U--Biege- und C--Ringproben) in 500 ppm Chloridwasser (pH 7,0, belüftet) bei 25 Grad über einen Zeitraum von bis zu 24 Monaten (17.520 Stunden) ermittelt.

Materialzustand Streckgrenze (0,2 % Offset, MPa)25 Grad SCC-Schwellenspannung in 500 ppm Cl- (MPa)Schwellenwert in % der Fließgrenze bis zur Rissbildung bei Schwellenwert +10 % (Stunden)SCC-Risikobewertung – 25 Grad
Vollständig geglüht (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000 Extrem niedrig
Leichte Kaltbearbeitung (10–15 %) 280 200-230 70-80 % 5.000–10.000 Niedrig
Mäßige Kaltumformung (15–20 %) 350 230-260 65-75 % 2.000–5.000 Mäßig
Schwere Kältewehen (20–25 %) 420 250-280 60-70 % 1.000–2.000 Hoch
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90 % 500–2.000 (je nach Überlastung) Hoch
Raumtemperaturschwelle als Funktion der Chloridkonzentration

Mit steigendem Chloridgehalt sinkt die Schwellenspannung. Die Schwellenspannung für bei 25 Grad geglühtes 316 als Funktion des Chloridgehalts ist in der folgenden Tabelle angegeben.

Chloridkonzentration (ppm) Schwellenspannung für SCC bei 25 Grad (MPa, geglüht 316) Zeit bis zur Rissbildung bei Schwellenwert +10 % (Stunden)Empfohlener Entwurfsgrenzwert<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (keine Gefahr) Unbegrenzt
100-200 190-205 20.000-50.000 Sehr geringes Risiko.
200-500 175-190 10.000–20.000 Akzeptabel mit Restspannungsmanagement
500-1000 160-175 5000-10000 Reststress<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Praktische Grenzwerte der Eigenspannungen für den Kaltwasserbetrieb

Für 316 ummantelte Heizgeräte in chloridhaltigem Wasser (200 - 1.000 ppm) bei Umgebungstemperatur (25 Grad) werden maximale Eigenspannungsgrenzen angegeben.

Chloridkonzentration (ppm) Maximale Eigenspannung (MPa) für eine Lebensdauer von 10-Jahren Äquivalente KaltumformungsgrenzeNachbehandlung empfohlen<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Felderkennung von SCC bei Umgebungstemperatur

Bei einem 316-Heizgerät, das bei einem Chloridbetrieb bei 25 Grad (200-1.000 ppm Cl- ausfällt, entwickeln sich SCC-Risse normalerweise nach 1-3 Jahren kontinuierlicher oder intermittierender Nutzung. Die Brüche sind transgranular (durch Körner hindurch) und verzweigt, wie Hochtemperatur-SCC, jedoch oft kürzer und weniger ausgedehnt. Die Bruchfläche kann Anzeichen einer allmählichen Rissausbreitung (Strandmarkierungen) und geringe Korrosionsprodukte aufweisen. Der Ursprung liegt oft an einer Stelle mit erheblicher Restspannung: dem Außenradius einer Kurve, einem kaltgezogenen Abschnitt mit erheblicher Reduzierung oder einer durch Schweißwärme beeinflussten Zone. Wenn die Restspannung eines ausgefallenen Abschnitts mittels Röntgenbeugung gemessen wird, liegen die Werte im Allgemeinen über 150–180 MPa. Bei solchen Ausfällen besteht die Antwort darin, bei zukünftigen Anschaffungen eine Spannungsentlastung nach dem Biegen (400 Grad für 1 Stunde) zu fordern, wodurch die Restspannung auf unter 100 MPa gesenkt wird.

Sonderfall: Intermittierende versus kontinuierliche Belichtung

Bei intermittierender Einwirkung (Trocknungszyklen) bei Raumtemperatur erhöht sich der Chloridgehalt während des Trocknens, was zu einer beschleunigten SCC-Bildung führt. Das Hauptwasser enthält möglicherweise nur 500 ppm Chlorid. Allerdings kann ein Heizgerät, das regelmäßig trocknen darf, Oberflächenchloridkonzentrationen von 5.000–10.000 ppm an der Wasserlinie aufweisen, wodurch die Schwellenspannung gesenkt wird. Bei intermittierendem Betrieb muss die zulässige Eigenspannung halb so groß sein wie bei ständigem Eintauchen.

Schlussfolgerung: Restspannungskontrolle für den Einsatz von Chlorid in der Umgebung

Es wurde festgestellt, dass SCC in mit Edelstahl 316 ummantelten Heizgeräten in 500 ppm Chloridwasser bei 25 Grad auftrat, wenn die anhaltende Zugeigenspannung mehr als etwa 165-185 MPa betrug (80–90 % der Ausbeute für geglühtes Material). Der Schwellenwert dafür ist hoch, aber lokale Eigenspannungen durch Kaltumformung (Biegen, Ziehen usw.) können größer als 200–300 MPa sein, was ausreicht, um bei Raumtemperatur nach 1–3 Jahren Risse zu verursachen. Für den Betrieb in Chloriden bei Raumtemperatur müssen Ingenieure, die 316-Hüllen auswählen, eine Spannungsentlastung nach dem Formen in Betracht ziehen (400–450 Grad, 1 Stunde), um die Restspannung zu reduzieren, wenn Chlorid 500 ppm übersteigt oder wenn Biegungen enger als R/D sind.=3. Für Chloridgehalte über 1.000 ppm bei 25 Grad wird ein vollständiges Lösungsglühen oder eine Aufrüstung auf Duplex 2205 empfohlen. Der hier vorgeschlagene Ansatz verknüpft die Restspannung mit messbaren SCC-Schwellenwerten bei Raumtemperatur und ermöglicht es Käufern, 316-Hüllen zu bestellen, die selbst im unbeheizten Betrieb einer Chloridrissbildung widerstehen.