Sotto quale valore specifico di tensione residua a trazione avviene la transizione della guaina del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 da passivo all'innesco di fessurazioni in acqua clorata da 500 ppm a 25 gradi di servizio ambientale

Sollecitazione di soglia per il cloruro SCC a temperatura ambiente

Nel caso di tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 in acqua contenente cloruro a temperatura ambiente (25 gradi) in applicazioni quali serbatoi di stoccaggio non riscaldati, sistemi di circolazione di acqua fredda o apparecchiature stagionali, il rischio di tensocorrosione da cloruro (SCC) è generalmente considerato basso, poiché l'SCC degli acciai inossidabili austenitici richiede generalmente una temperatura superiore a 60 gradi. Tuttavia, successivi fallimenti sul campo ed esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che il 316 può rompersi a 25 gradi in 500 ppm di acqua di cloruro in presenza di un adeguato stress residuo di trazione, ma lo stress di soglia è molto più alto che a temperature elevate. Il parametro chiave è lo stress di trazione residuo derivante dalla produzione (trafilatura, piegatura, raddrizzatura) più qualsiasi stress aggiuntivo. A 25°C, non si osserva fessurazione al di sotto di una tensione di soglia dell'ordine dell'80-90% del carico di snervamento del materiale (165-185 MPa per il 316 ricotto con 205 MPa di carico di snervamento). Se lo stress supera questo livello, le crepe si sviluppano dopo lunghi periodi di induzione (da 6 mesi a 2 anni) e crescono lentamente, con cedimento che si verifica dopo 2-5 anni. Questo articolo fornisce la soglia SCC a temperatura ambiente di 316 guaine in 500 ppm di acqua cloruro.

Il meccanismo dell'SCC a bassa-temperatura

Per l'SCC dell'acciaio inossidabile 316 in cloruro sono necessarie tre condizioni: una microstruttura suscettibile (normalmente contenente una certa lavorazione a freddo), uno stress di trazione prolungato e ioni cloruro. A temperature elevate (80-150 gradi) l'SCC è dovuto al rapido trasporto del cloruro, ai tassi di ripassivazione lenti e alla chimica aggressiva all'apice della cricca. A 25 gradi l'energia di attivazione dell'SCC non è zero, ma la cinetica è significativamente più lenta. La differenza principale è che la soglia di stress per la fessurazione aumenta considerevolmente al diminuire della temperatura. Ciò è dovuto all’aumento della velocità di deformazione critica della punta della frattura per la dissoluzione attiva, che richiede sollecitazioni applicate più elevate. Il 316 ricotto a 25°C in 500 ppm Cl- ha una sollecitazione soglia di circa 165-185 MPa (resa 80-90%). Il 316 lavorato a freddo ha una tensione di soglia inferiore poiché il materiale ha una maggiore resistenza allo snervamento ma anche una maggiore densità di dislocazioni e possibilmente una certa martensite che agisce come siti di inizio delle cricche.

Soglie determinate di cloruro di 25 gradi, 500 ppm per SCC

Le seguenti relazioni di soglia sono state stabilite da test a carico costante di acciaio inossidabile 316 (campioni con piega a U e anello a C -) in acqua cloruro da 500 ppm (pH 7,0, aerata) a 25 gradi per un massimo di 24 mesi (17.520 ore).

Condizione del materiale Resistenza allo snervamento (compensazione dello 0,2%, MPa) Sollecitazione di soglia SCC a 25 gradi in 500 ppm Cl- (MPa) Soglia come % del tempo di snervamento all'inizio della fessurazione alla soglia +10% (ore) Valutazione del rischio SCC – 25 gradi
Completamente ricotto (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000Estremamente basso
Lavori leggeri a freddo (10-15%) 280 200-230 70-80% 5.000-10.000 Basso
Lavoro a freddo moderato (15-20%) 350 230-260 65-75% 2.000-5.000 Moderato
Lavoro freddo pesante (20-25%) 420 250-280 60-70% 1.000-2.000 Alto
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2.000 (dipende dallo stress eccessivo) Alto
Soglia della temperatura ambiente in funzione della concentrazione di cloruri

Lo stress di soglia si riduce con l'aumentare del contenuto di cloruro. Nella tabella seguente è riportata la sollecitazione di soglia per il 316 ricotto a 25 gradi in funzione del contenuto di cloruro.

Concentrazione di cloruro (ppm) Sollecitazione di soglia per SCC a 25 gradi (MPa, ricotto 316) Tempo di inizio fessurazione alla soglia +10% (ore) Limite di progettazione consigliato<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (nessun pericolo)Illimitato
100-200 190-205 20.000-50.000 Rischio molto basso.
200-500 175-190 10.000-20.000 Accettabile con gestione dello stress residuo
500-1000 160-175 5000-10000 Stress residuo<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
Limiti pratici sulle tensioni residue per il servizio di acqua fredda

I limiti massimi di stress residuo sono forniti per 316 riscaldatori con guaina in acqua contenente cloruro (200 - 1.000 ppm) a temperatura ambiente (25 gradi).

Concentrazione di cloruro (ppm) Stress residuo massimo (MPa) per 10-anni di vita Limite equivalente di lavorazione a freddo Trattamento post-formatura consigliato<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
Rilevamento sul campo di SCC a temperatura ambiente

Per un riscaldatore 316 guasto in un servizio di cloruro a 25 gradi (200-1.000 ppm Cl-), le crepe SCC si svilupperanno normalmente dopo 1-3 anni di uso continuo o intermittente. Le fratture sono transgranulari (attraverso i grani) e ramificate, come SCC ad alta temperatura ma spesso più corte e meno estese. La superficie della frattura può mostrare segni di propagazione graduale della cricca (segni di spiaggia) e poco prodotto di corrosione. Spesso l'origine è in un sito con tensioni residue significative: il raggio esterno di una curva, una sezione trafilata a freddo con riduzione sostanziale o una zona alterata dal calore della saldatura. Quando si misura lo stress residuo di una sezione danneggiata mediante diffrazione di raggi X, i valori sono generalmente superiori a 150-180 MPa. Per tali guasti, la risposta è richiedere la riduzione dello stress post-flessione (400 gradi per 1 ora) per gli acquisti futuri, diminuendo lo stress residuo al di sotto di 100 MPa.

Caso speciale: esposizione intermittente e continua

Esposizione intermittente (cicli di asciugatura) a temperatura ambiente, il contenuto di cloruro aumenta durante l'essiccazione portando ad una formazione accelerata di SCC. L'acqua sfusa potrebbe contenere solo 500 ppm di cloruro. Tuttavia, un riscaldatore lasciato asciugare periodicamente può avere concentrazioni superficiali di cloruro di 5.000-10.000 ppm sulla linea di galleggiamento, riducendo così la soglia di stress. Per il servizio intermittente la tensione residua ammissibile deve essere la metà di quella per l'immersione continua.

Conclusione: controllo dello stress residuo per il servizio con cloruro ambientale

È stato riscontrato che la SCC nei riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 in 500 ppm di acqua di cloruro a 25 gradi si verificava quando lo stress residuo di trazione sostenuto era superiore a circa 165-185 MPa (80-90% della resa per il materiale ricotto). La soglia è elevata, ma le tensioni residue locali derivanti dalla lavorazione a freddo (flessione, imbutitura, ecc.) possono essere superiori a 200-300 MPa, sufficienti a causare fessurazioni a temperatura ambiente dopo 1-3 anni. Per il funzionamento in cloruri a temperatura ambiente, gli ingegneri che selezionano le guaine 316 devono prendere in considerazione la distensione post-formatura (400-450 gradi, 1 ora) per ridurre lo stress residuo quando il cloruro supera 500 ppm o quando le pieghe sono più strette di R/D=3. Per livelli di cloruro superiori a 1.000 ppm a 25 gradi, si consiglia la ricottura in soluzione completa o l'aggiornamento al duplex 2205. L'approccio qui proposto collega lo stress residuo alle soglie SCC misurabili a temperatura ambiente, consentendo agli acquirenti di ordinare 316 guaine che resistono alla rottura da cloruro anche in servizio non riscaldato.