In che modo la percentuale di lavorazione a freddo precedente ricavata dal disegno del tubo della guaina del riscaldatore 316 controlla il tasso di rilassamento dello stress e la sensibilizzazione simultanea durante il servizio a 550 gradi

Cinetica competitiva del recupero e della precipitazione dei carburi

Per i tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 ad alte temperature (550 gradi, tipici per applicazioni di riscaldamento di aria o gas ad alta temperatura) la precedente percentuale di lavorazione a freddo dalla trafilatura del tubo controlla due processi metallurgici contrastanti: rilassamento dello stress (recupero della dislocazione, che riduce lo stress residuo e aumenta la resistenza allo scorrimento) e la sensibilizzazione (il carburo di cromo precipita ai bordi dei grani, che riduce la resistenza alla corrosione). La trafilatura pesante a freddo del tubo (riduzione del 25-35%) a 550 gradi si rilassa rapidamente (riduzione dello stress del 50-80% in 100-500 ore) ma crea allo stesso tempo carburi continui ai bordi dei grani (sensibilizzazione) a causa dell'elevata densità di dislocazione che accelera la diffusione del cromo. I tubi leggermente lavorati a freddo (riduzione dal 5 al 15%) si rilassano più lentamente (la riduzione dello stress del 50% richiede da 1.000 a 5.000 ore) ma non è sensibilizzato perché la ridotta densità di dislocazione produce meno siti di nucleazione per i carburi. Questo articolo quantifica la correlazione tra il precedente lavoro a freddo, la cinetica di rilassamento dello stress e l'inizio della sensibilizzazione a 550 $^{\\circ}$C.

Meccanismi di sensibilizzazione e recupero competitivo

L'acciaio inossidabile 316 crea dislocazioni e, a seconda dell'intensità, martensite indotta da deformazione-durante la trafilatura a freddo. A 550 gradi i meccanismi di recupero (annientamento e riarrangiamento della dislocazione) diminuiscono lo stress residuo e la durezza. Il tasso di recupero è Arrhenius e più veloce nel materiale lavorato a freddo più alto poiché l'energia immagazzinata offre una forza di spinta. nello stesso tempo, il carburo di cromo (Cr 23 C 6 ) precipita lungo i bordi dei grani e nelle dislocazioni. La velocità di nucleazione dei carburi è proporzionale alla densità delle dislocazioni, poiché le dislocazioni forniscono percorsi di diffusione rapidi per cromo e carbonio. Nei materiali fortemente lavorati a freddo- (elevata densità di dislocazioni) i carburi si nucleano rapidamente, sviluppando una rete continua di confini dei grani entro 100-500 ore a 550 gradi. La nucleazione del carburo è lenta nel materiale trattato leggermente a freddo e anche dopo 5.000 ore i carburi sono pochi e discontinui.

Relazione quantificata tra lavoro a freddo, rilassamento dello stress e sensibilizzazione a 550 gradi

Le seguenti relazioni vengono stabilite dall'invecchiamento isotermico controllato dei tubi 316 con varie percentuali di lavorazione a freddo a 550 gradi, misurando lo stress residuo (mediante diffrazione dei raggi X-) e la sensibilizzazione (mediante ASTM A262 Pratica A).

Cold Work (%) Initial Residual Stress (MPa) Time Required for 50% Relaxation of Residual Stress at 550 C (hours)Time to Continuous Grain Boundary Carbides (sensitisation) at 550°C (hours) ASTM A262 Practice A Result after 1,000 hours Recommended for 550°C Service >1.000 ore 0 (ricotto)<30 N/A (no stress) >10.000 (nessuna sensibilizzazione)Struttura dei passi Sì 5-10 100-150 2,000-5,000 5,000-10.000 Passo (accettabile) Sì 10-15 150-200 1,000-2,000 2,000-5.000 Passo per eliminare la transizione Buono fino a 2.000 ore
15-20 200-250 500-1,000 1,000-2,000 Ditch (sensitised) after 1,500 Not recommended >1.000 ore ore
20-25 250-300 200-500 500-1.000 Fosso (sensibilizzato) dopo 500 ore No 25-30 300-350 100-200 200-500 Fosso grave Inaccettabile
30-35 350-400 50-100 100-200 Severe ditch + grain dropping Unacceptable35 >400 <50 <100 Full sensitization Unacceptable
Effetto della temperatura di servizio sulle tariffe concorrenti

Il tempo di sensibilizzazione si riduce con l'aumentare della temperatura, il rilassamento della tensione accelera. L'intervallo di lavoro a freddo-ottimale per una determinata temperatura di servizio è un compromesso di queste dinamiche.

Temperatura di servizio (gradi) Intervallo di lavoro a freddo consigliato per 10.000-ore di servizio (%) Rilassamento dello stress raggiunto (%) Sensibilizzazione Rischio Materiale preferito 450 15-25 50-70% dopo 10.000 ore Basso (carburi lenti) 316 (qualsiasi) 500 10-20 60-80% dopo 10.000 ore Moderato 316L preferito 525 5-15 70-85% dopo 10.000 ore Moderato-Alto 316L richiesto 550 0-10 80-90% dopo 10.000 ore Alta (probabile sensibilizzazione) 316L con stabilizzazione 575 0-5 (ricotto)N/A (nessuno stress) Alta (tutti sensibilizzati) Aggiorna a 347 o 310
600 0 (appena ricotto) N/A Grave 316 non accettabile
Raccomandazioni pratiche riguardanti la produzione di riscaldatori

Di seguito sono riportati i criteri consigliati per la lavorazione a freddo e il trattamento post-per i riscaldatori con guaina 316 per servizio a 550 gradi.

Lavorazione a freddo massima nella guaina finita (%) Durata di servizio desiderata a 550 gradi (ore)Test di sensibilizzazione al trattamento post-formatura consigliato Lega alternativa<1,000 (intermittent) 20 None None 316 acceptable 1,000-2,500 15 Stress relief 400°C, 1h ASTM A262 Practice A (step) 316L 2,500-5,000 10 Stress relief 450°C, 2h ASTM A262 Practice E (pass) 316L 5,000-10,000 5 (annealed)Full solution anneal ASTM A262 Practice A (step) 316L or 347 >10,000 0 (completamente ricristallizzato) Ricottura a soluzione completa + stabilizzazione (850 gradi, 4 ore) ASTM A262 Pratica C (<0.3 mm/year) 347 or 310
Rilevamento sul campo della sensibilizzazione al servizio a temperature elevate

If a 316 heater that has been in service at 550°C for >Dopo 1.000 ore di guasto in un ambiente corrosivo (ad esempio durante un ciclo di pulizia o dopo lo spegnimento), è necessario considerare la sensibilizzazione durante il servizio. I test metallografici (ASTM A262 Practice A etch) riveleranno una struttura "a fossa" ai bordi dei grani. La durezza si ridurrà rispetto al valore-disegnato (ad es.. 300 HV a 200 HV) a causa del recupero. Ciò dimostrerà che il materiale era a temperatura. La fessurazione o la corrosione intergranulare costituiranno la modalità di guasto. Per tali guasti, il rimedio per gli acquisti futuri è specificare tubi completamente ricotti (ricristallizzati) con basso stress residuo o passare a un grado stabilizzato come l'acciaio inossidabile 347 (stabilizzato columbium) o 310, che non sensibilizza a 550 gradi.

Conclusione: compromesso a 550 gradi-tra sollievo dallo stress e sensibilizzazione

Per i riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 funzionanti a 550 gradi, la quantità di lavoro a freddo precedente controlla la cinetica di due processi contrastanti, il rilassamento dello stress (buono) e la sensibilizzazione (cattivo). La lavorazione a freddo superiore al 15-20% provoca una rapida sensibilizzazione (precipitazione dei carburi entro 500-1.500 ore), che porta alla suscettibilità alla corrosione intergranulare. Lavoro freddo<10% is slow to relax but stays unsensitized for >5,000 hours. For operation at 550 °C, engineers specifying 316 sheaths must limit preceding cold work to < 10 - 15 % with fully annealed (recrystallised) tubing required for prolonged life (>5.000 ore). Laddove non è possibile evitare la lavorazione a freddo, è necessaria una solubilizzazione dopo la formatura per ricristallizzare la struttura e alleviare lo stress residuo e la possibilità di sensibilizzazione.