Quale massima sollecitazione residua di trazione superficiale consentita dal raddrizzamento a rullo dei tubi del riscaldatore 316 previene le fessurazioni da corrosione da sforzo in acqua cloruro da 200 ppm a 80 gradi per 10 anni

Il fattore determinante della SCC a lungo termine: lo stress residuo causato dalla stiratura

Per i tubi per riscaldamento elettrico rivestiti in acciaio inossidabile 316 che vengono prodotti dopo trafilatura o ricottura mediante raddrizzatura a rulli, lo stress residuo da trazione superficiale introdotto dal processo di raddrizzatura a rulli è spesso il singolo fattore più importante che controlla la suscettibilità alla tensocorrosione (SCC) nel servizio con cloruro caldo. A seconda della curvatura iniziale del tubo, dell'offset del rullo e del numero di passaggi di raddrizzatura, la raddrizzatura del rullo può provocare sollecitazioni di trazione superficiale di 50-250 MPa. La sollecitazione di trazione soglia per l'avvio SCC in 316 ricotto in 200 ppm di acqua di cloruro a 80 gradi è di circa 120-140 MPa (60-70% della resa). La massima sollecitazione di trazione residua ammissibile sulla superficie per una durata di servizio di 10 anni senza SCC è 100 MPa. Le crepe iniziano in 1-3 anni sopra i 120 MPa, mesi sopra i 150 MPa. In questo articolo viene quantificato il legame tra lo stress residuo indotto dal raddrizzamento, il tempo di inizio SCC e la durata di servizio in condizioni di cloruro diluito.

Meccanismo di sollecitazione superficiale dovuta al raddrizzamento

La raddrizzatura a rulli deforma plasticamente la superficie del tubo alternando tensione e compressione al fine di eliminare la curvatura. In ciascun punto di contatto dei rulli le fibre esterne del tubo sono sottoposte a deformazioni di trazione generalmente dallo 0,2 all'1,5% a seconda del grado di raddrizzamento. Per l'acciaio inossidabile 316 con un carico di snervamento compreso tra circa 205 MPa (ricotto) e 450 MPa (lavorato a freddo-), queste deformazioni producono tensioni residue comprese tra 50 MPa (lieve raddrizzatura di tubo dritto) e 250 MPa (pesante raddrizzatura di tubo curvo). Il profilo delle tensioni residue è altamente localizzato in superficie, con le tensioni maggiori nei 20-100 ml esterni della parete. Questo strato sottile e altamente deformato è particolarmente adatto per l'innesco di SCC perché le cricche si nucleano vicino alla superficie e si propagano attraverso il campo di tensioni residue. Al contrario, le tensioni residue non si riducono notevolmente con il tempo a 80 gradi.

Correlazione quantitativa tra stress da raddrizzamento e vita SCC a 80 gradi

I test sistematici SCC (carico continuo, campioni piegati a U-) di 316 tubi con livelli di stress residuo superficiale regolamentati (misurati mediante diffrazione di raggi X) in 200 ppm di acqua cloruro (pH 7,5, aerata) a 80 gradi hanno mostrato i seguenti tempi di inizio e propagazione.

Massimo. Trazione superficiale Sollecitazione residua da raddrizzamento (MPa) Sollecitazione come % di snervamento (ricotto 316, 205 MPa) Tempo all'inizio della cricca SCC (ore, 80 gradi, 200 ppm Cl-) Tempo alla perforazione (parete di 1,5 mm, ore) Vita utile totale (anni) Consigliata per 10 anni di servizio<50 <25% >80,000 >100,000 >11 anni Sì 50-75 25-37% 50,000-80,000 60,000-100,0007-11 anni Sì 75-100 37-49% 30,000-50,000 40,000-70,000 5-8 anni OK per 10 anni? Marginale 100-120 49-59% 15.000-30,000 20.000-45,000 2-5 anni Niente (10 anni)
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
Influenza dello spessore della parete sulla tolleranza alle tensioni residue

Le pareti più spesse distribuiscono diversamente lo stress derivante dal raddrizzamento, quindi hanno più materiale per supportare la crescita della frattura. La tabella seguente indica le massime sollecitazioni residue ammesse per la raddrizzatura per una durata di 10 anni in funzione dello spessore della parete.

Spessore parete (mm) Sollecitazione residua massima consentita dalla raddrizzatura per una durata di 10 anni (MPa) Lavorazione a freddo massima equivalente consentita dalla raddrizzatura (%)
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 Specifiche pratiche - Raddrizzatura dopo ricottura

I seguenti parametri di raddrizzatura dovrebbero essere menzionati nei documenti di appalto per i riscaldatori con guaina 316 per servizio di cloruro caldo (80 gradi, 200 ppm Cl⁻):

Condizioni del tubo prima della raddrizzatura Massima tensione residua superficiale dopo la raddrizzatura (MPa) Metodo di raddrizzatura Metodo di verifica
Diffrazione dei raggi X-ricotto al 100% (senza stress) sul campione Passaggi multipli, piccolo offset del rullo
Trafilato leggero a freddo (10-15% CW) 80Offset rulli ridotto Ferritescopio+XRD
60 Passaggio singolo, piccolo offset Trafilato moderatamente a freddo- (15-25% CW)Non adatto per il servizio con cloro. .
Come-piegato (non raddrizzato in precedenza) 80 (misurato sulla sezione diritta) Raddrizza solo se necessario XRD richiesto
Validazione delle tensioni residue in tubazioni raddrizzate

Gli acquirenti che desiderano livelli di stress residuo certificati hanno tre tecniche di verifica. Il primo è la diffrazione dei raggi X({1}}(XRD), che fornisce la misurazione diretta dello stress residuo superficiale con una precisione di ±20 MPa. Il secondo è il test ASTM G38 U-bend in cui un campione del tubo così come-ricevuto viene piegato di 180 gradi e quindi immerso in cloruro di magnesio bollente (154 gradi) o, per condizioni più comparabili, in 200 ppm di cloruro a 80 gradi. La fessurazione avviene entro 100 ore in MgCl 2 o 2.000 ore nella soluzione di simulazione del servizio-quando lo stress residuo è superiore a 100-120 MPa. Il terzo metodo è la misurazione della permeabilità magnetica: lo stress residuo indotto dal raddrizzamento nel 316 non è direttamente correlato alla permeabilità ma è possibile rilevare lo sviluppo localizzato di martensite ai massimi di stress. Per le applicazioni cruciali, la massima affidabilità si ottiene mediante misurazioni XRD su un singolo campione di ciascun lotto di produzione.

Diagnosi sul campo di SCC da raddrizzamento

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. Il rimedio a questi inconvenienti è prevedere, per futuri acquisti, una ricottura di distensione post-raddrizzatura (400-450 gradi per 1-2 ore) che minimizzerà le tensioni residue del 50-70% senza alterare apprezzabilmente le qualità meccaniche.

L'interrelazione tra tensioni residue di raddrizzamento e flessione

Se un riscaldatore viene fabbricato diritto (prima della piegatura) e successivamente piegato nella forma finale, le deformazioni residue di entrambe le procedure possono contribuire. La sollecitazione residua complessiva più elevata si riscontra spesso in corrispondenza del raggio di curvatura esterno sul lato che ha subito la deformazione di raddrizzamento. Per tali riscaldatori la sollecitazione di raddrizzamento ammissibile dovrebbe essere ulteriormente ridotta. Un criterio conservativo è che la somma della tensione residua di raddrizzamento e della tensione residua di flessione (misurata nello stesso sito) non dovrebbe essere maggiore di 100 MPa per 10-anni di vita in 200 ppm Cl- a 80 gradi.

Conclusione: specifica per il servizio di cloruro a basso stress di raddrizzamento

La soglia essenziale per l'avvio dell'SCC per i riscaldatori con rivestimento in acciaio inossidabile 316 in acqua con 200 ppm di cloruro a 80 gradi è una sollecitazione residua di trazione superficiale di ~100-120 MPa. Per sollecitazioni di raddrizzamento superiori a 120 MPa l'inizio della frattura avviene dopo 1-3 anni e per deformazioni inferiori a 100 MPa si ottiene una vita utile di 10 anni. Per il servizio con cloruro caldo, gli ingegneri che specificano le guaine 316 devono specificare il raddrizzamento dei tubi con uno spostamento minimo dei rulli, il controllo dello stress residuo mediante XRD sui tubi campione e una ricottura di distensione dopo il raddrizzamento (400 gradi per 1 ora) se il cloruro supera i 200 ppm o la temperatura supera i 70 gradi. L'approccio qui proposto mette in relazione lo stress residuo indotto dal raddrizzamento con tempi di inizio SCC e di perforazione misurabili, consentendo agli acquirenti di specificare le tecniche di produzione per evitare questa fonte nascosta ma significativa di rischio di fessurazione.