Welche maximal zulässige Oberflächenzugeigenspannung durch Rollenrichten von 316-Heizungsrohren verhindert Spannungsrisskorrosion in 200 ppm Chloridwasser bei 80 Grad für 10 Jahre

Der langfristige SCC-Treiber: Die durch das Richten verursachte Restspannung

Bei mit Edelstahl 316 ummantelten elektrischen Heizrohren, die nach dem Ziehen oder Glühen durch Rollenrichten hergestellt werden, ist die Oberflächenzugeigenspannung, die durch das Rollenrichten entsteht, häufig der wichtigste Faktor, der die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) im Warmchloridbetrieb steuert. Abhängig von der anfänglichen Rohrkrümmung, dem Rollenversatz und der Anzahl der Richtdurchgänge kann das Rollenrichten zu Oberflächenzugspannungen von 50 - 250 MPa führen. Die Schwellenzugspannung für den SCC-Start in geglühtem 316 in 200 ppm Chloridwasser bei 80 Grad beträgt etwa 120–140 MPa (60–70 % der Ausbeute). Die maximal zulässige Restzugspannung an der Oberfläche für eine 10-jährige Lebensdauer ohne SCC beträgt 100 MPa. Risse beginnen in 1-3 Jahren über 120 MPa, Monaten über 150 MPa. In diesem Artikel wird der Zusammenhang zwischen der durch das Richten verursachten Eigenspannung, der SCC-Einleitungszeit und der Lebensdauer unter verdünnten Chloridbedingungen quantifiziert.

Mechanismus der Oberflächenspannung aufgrund des Richtens

Beim Walzenrichten wird die Rohroberfläche im Wechsel von Zug und Druck plastisch verformt, um Krümmungen zu beseitigen. An jedem Walzenkontaktpunkt werden die äußeren Fasern des Rohrs je nach Richtgrad Zugspannungen von im Allgemeinen 0,2 bis 1,5 % ausgesetzt. Für Edelstahl 316 mit einer Streckgrenze von etwa 205 MPa (geglüht) bis 450 MPa (kaltverformt) erzeugen diese Spannungen Eigenspannungen von 50 MPa (leichtes Richten eines geraden Rohrs) bis 250 MPa (starkes Richten eines gebogenen Rohrs). Das Eigenspannungsprofil ist stark an der Oberfläche lokalisiert, wobei die größten Spannungen in den äußeren 20–100 lm der Wand auftreten. Diese dünne, stark gespannte Schicht eignet sich gut für die SCC-Initiierung, da Risse in der Nähe der Oberfläche entstehen und sich durch das Eigenspannungsfeld ausbreiten. Im Gegensatz dazu nehmen die Restspannungen bei 80 Grad mit der Zeit nicht wesentlich ab.

Quantitative Korrelation zwischen Richtspannung und SCC-Lebensdauer bei 80 Grad

Systematische SCC-Tests (kontinuierliche Belastung, U--Biegeproben) von 316-Rohren mit regulierten Oberflächeneigenspannungen (gemessen durch Röntgenbeugung) in 200 ppm Chloridwasser (pH 7,5, belüftet) bei 80 Grad haben die folgenden Initiierungs- und Ausbreitungszeiten gezeigt.

Max. Oberflächenzugeigenspannung beim Richten (MPa) Spannung in % der Ausbeute (geglüht 316, 205 MPa) Zeit bis zur Bildung eines SCC-Risses (Stunden, 80 Grad, 200 ppm Cl-) Zeit bis zur Perforation (1,5 mm Wand, Stunden) Gesamtlebensdauer (Jahre) Empfohlen für 10 Jahre Betrieb<50 <25% >80,000 >100,000 >11 Jahre Ja 50-75 25-37% 50.000-80,000 60.000-100.0007-11 Jahre Ja 75-100 37-49% 30.000-50,000 40.000-70,000 5-8 Jahre OK für 10 Jahre? Marginal 100-120 49-59 % 15.000-30,000 20.000-45,000 2-5 JahreNichts (10 Jahre)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Einfluss der Wandstärke auf die Eigenspannungstoleranz

Dickere Wände verteilen die durch das Aufrichten entstehende Spannung anders und verfügen somit über mehr Material, um das Bruchwachstum zu unterstützen. Die folgende Tabelle gibt die maximal zulässige Restspannung beim Richten für eine Lebensdauer von 10 Jahren als Funktion der Wandstärke an.

Wandstärke (mm) Maximal zulässige Restspannung durch Richten für eine Lebensdauer von 10 Jahren (MPa) Äquivalente maximal zulässige Kaltverformung durch Richten (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Praktische Spezifikationen - Richten nach dem Glühen

Die folgenden Richtparameter sollten in den Beschaffungsunterlagen für 316 ummantelte Heizgeräte für den Warmchloridbetrieb (80 Grad, 200 ppm Cl⁻) angegeben werden:

Rohrzustand vor dem Richten Maximale Oberflächeneigenspannung nach dem Richten (MPa) Richtmethode Verifizierungsmethode
100 % geglüht (spannungsfrei)Röntgenbeugung an der Probe Mehrere Durchgänge, kleiner Walzenversatz
Leicht kaltgezogen (10-15 % CW) 80Reduzierter Rollenversatz Ferritescope+XRD
60 Einzeldurchlauf, geringer Versatz Mäßig kalt-gezogen (15–25 % CW)Nicht für Chloranwendungen geeignet. .
Wie-gebogen (bisher nicht begradigt) 80 (gemessen am geraden Abschnitt)Nur bei Bedarf begradigen Erforderliche XRD
Validierung der Eigenspannung in gerade gerichteten Rohren

Käufern, die zertifizierte Eigenspannungswerte wünschen, stehen drei Überprüfungstechniken zur Verfügung. Die erste Methode ist die Röntgenbeugung (XRD), die eine direkte Messung der Oberflächeneigenspannung mit einer Genauigkeit von ±20 MPa ermöglicht. Der zweite ist der ASTM G38 U--Biegetest, bei dem eine Probe des erhaltenen Rohrs um 180 Grad gebogen und dann in siedendes Magnesiumchlorid (154 Grad) oder, für vergleichbarere Bedingungen, in 200 ppm Chlorid bei 80 Grad getaucht wird. Risse treten innerhalb von 100 Stunden in MgCl 2 oder 2.000 Stunden in der Servicesimulationslösung auf, wenn die Eigenspannung über 100–120 MPa liegt. Die dritte Methode ist die Messung der magnetischen Permeabilität: Die durch das Richten induzierte Restspannung in 316 steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Permeabilität, es kann jedoch eine lokalisierte Martensitentwicklung bei Spannungsmaxima festgestellt werden. Für entscheidende Anwendungen wird die höchste Sicherheit durch XRD-Messungen an einer einzelnen Probe aus jeder Produktionscharge erreicht.

Felddiagnose von Plattenepithelkarzinomen durch Richten

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 MPa. Die Abhilfe bei diesen Fehlern besteht darin, bei zukünftigen Käufen ein Spannungsarmglühen nach dem Richten (400–450 Grad für 1–2 Stunden) vorzusehen, das die Restspannung um 50–70 % minimiert, ohne die mechanischen Eigenschaften nennenswert zu verändern.

Der Zusammenhang zwischen Richt- und Biegeeigenspannungen

Wenn eine Heizung gerade hergestellt wird (vor dem Biegen) und anschließend in die endgültige Form gebogen wird, können die Restspannungen beider Verfahren dazu beitragen. Die höchste Gesamteigenspannung tritt häufig am äußeren Biegeradius auf der Seite auf, auf der die Begradigungsbelastung aufgetreten ist. Für solche Heizgeräte sollte die zulässige Richtspannung weiter gesenkt werden. Ein konservatives Kriterium besteht darin, dass die Summe der Biegeeigenspannung und der Biegeeigenspannung (gemessen an derselben Stelle) für eine Lebensdauer von 10 {{6} Jahren in 200 ppm Cl bei 80 Grad nicht größer als 100 MPa sein sollte.

Fazit: Chlorid-Service-Spezifikation für niedrige Richtspannung

Der wesentliche Schwellenwert für den SCC-Start für mit Edelstahl 316 ummantelte Heizgeräte in 200 ppm Chloridwasser bei 80 Grad ist eine Oberflächenzugeigenspannung von ~100-120 MPa. Bei Richtspannungen über 120 MPa tritt der Bruchbeginn nach 1-3 Jahren ein und bei Dehnungen unter 100 MPa wird eine Lebensdauer von 10 Jahren erreicht. Für den Warmchloridbetrieb sollten Ingenieure, die 316-Hüllen spezifizieren, das Richten der Rohre mit minimalem Rollenversatz, die Überprüfung der Restspannung durch XRD an Probenrohren und ein Spannungsarmglühen nach dem Richten (400 Grad für 1 Stunde) festlegen, wenn der Chloridgehalt 200 ppm oder die Temperatur 70 Grad übersteigt. Der hier vorgeschlagene Ansatz verknüpft die durch Richten verursachte Restspannung mit messbaren SCC-Start- und Perforationszeiten und ermöglicht es Käufern, Herstellungstechniken festzulegen, um diese versteckte, aber erhebliche Quelle des Rissrisikos zu vermeiden.