Како дебљина зида омотача од нерђајућег челика 316 утиче на дистрибуцију заосталог напрезања након набијања и његов утицај на животни век од замора од корозије у морским срединама?

Замор од корозије је посебно агресиван механизам квара електричних потопних грејача које су одредили поморски инжењери за платформе на мору, бродске системе и обална индустријска постројења када се комбинују циклично механичко оптерећење и хлоридна корозија. Замор од корозије доводи до иницирања прслине при много нижим амплитудама напрезања и краћем веку циклуса од чистог замора на ваздуху или чисте корозије у статичким условима. Преостали напони генерисани савијањем (који сабија изолацију од магнезијум оксида око отпорне жице) ступају у интеракцију са радним напонима и или убрзавају или успоравају формирање лома у зависности од њиховог знака и величине. Овај чланак квантификује ефекат дебљине зида плашта на дистрибуцију заосталог напрезања након набијања и ефекат ових заосталих напона на век трајања замора од корозије у морском окружењу.

Генерисање заосталог напрезања у напону 316 омотача
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1,8 мм), који развијају јака тлачна напрезања само близу спољашње површине, остављајући унутрашње слојеве углавном нетакнутим. Затезни напони на унутрашњој површини су такође нижи због мање потпуне збијености МгО као што је наведено у члану 12. Ова веза је потврђена рендгенским дифракцијским мерењима заосталог напона у испупченим омотачима 316. За зидни омотач од 0,9 мм површински тлачни напон је био -280 МПа. Зидни омотач од 1,5 мм био је -180 МПа. Зидни омотач од 2,0 мм показао је само -120 МПа. Тањи омотач чува повољније тлачно напрезање на спољној површини, месту иницијације лома од замора од корозије.

Ефекат резидуалног тлачног напона на иницијацију прслине од замора од корозије
Циклични затезни напон и корозивни електролит који садрже хлориде узрокују почетак лома од замора од корозије у нерђајућем челику 316. Пукотина почиње од површинске јаме или инклузије где је пасивни заштитни премаз отказао. Ако је на површини присутно стање заосталог тлачног напрезања, примењени циклични затезни напон мора да превазиђе ову компресију да би произвео нето напетост на врху прслине. Ово значајно повећава гранични напон за настанак пукотине. За плашт од 0,9 мм 316 са -280 МПа површинском заосталом компресијом, примењено циклично напрезање од +200 МПа доводи до само -80 МПа нето на површини која је још увек тлачна и не може да изазове заморну пукотину. Само циклични напон већи од + 280 МПа генерише нето напетост на површини. За поређење, омотач од 2,0 мм који има само -120 МПа површинске компресије је у нето напетости када је примењени напон већи од +120 МПа, што је далеко нижи праг. Тестови на корозијски замор у синтетичкој морској води на 60 степени потврђују овај ефекат. Узорци са дебљином зида од 0,9 мм и значајном заосталом компресијом издржали су 10 милиона циклуса на 250 МПа примењени наизменични напон без почетка пуцања. При истом примењеном оптерећењу, узорци са малом заосталом компресијом и дебљином зида од 2,0 мм отказали су након 2 милиона циклуса. Тањи омотач је дао пет пута већи век трајања од замора од корозије упркос смањеној апсолутној дебљини зида.

Замена{0}}између предности преосталог напрезања и маргине дебљине зида
Плашт са танким{0}}зинама има предност у замору од корозије, али он мора да се избалансира у односу на доњу маргину материјала ако дође до пуцања. Плашт од 0,9 мм, са значајном заосталом компресијом, може бити отпоран на почетак пуцања током милиона циклуса. Међутим, када пукотина превазиђе поље заосталог напрезања, рецимо због велике површинске јаме или кратког преоптерећења, она треба да се шири само кроз 0,9 мм материјала да би изазвала перфорацију. Плашт од 2,0 мм са мање резидуалне компресије може покренути пукотину у мање циклуса, али пукотина мора да напредује кроз 2,0 мм да би изазвала квар. Укупан животни век до отказа је збир животног века иницијације и века ширења. Резултати испитивања корозионог замора ротирајућих греда у морској води на 60°Ц се користе за илустрацију следећих укупних циклуса до лома за омоте од 10 мм ОД 316 при наизменичном напону од 200 МПа. Плашт од 0,8 мм имао је укупно 12 милиона циклуса (11,5 милиона почетака, 0,5 милиона пропагације). Плашт од 1,2 мм остварио је 8 милиона циклуса (1 милион ширења, 7 милиона почетак). 5 милиона циклуса (3 милиона почетак, 2 милиона пропагације) за плашт од 1,6 мм. Плашт од 2,0 мм преживео је 3,5 милиона циклуса (1,5 милиона иницијације, 2 милиона пропагације). Маргина пропагације је мала, али јака заостала компресија танког-обзиданог омотача доводи до дугог укупног века трајања.

Матрица за избор животног века корозије замора у морској средини
Следећа табела приказује препоручене дебљине плашта од 316 за електричне потопне грејаче у поморској употреби у зависности од процењене амплитуде цикличког напрезања и потребног века трајања. Вредности се односе на континуирано излагање морској води или бочастој води на 30–60 степени, као и за нормалне технике пражњења без претходног-жарења.

Очекивана амплитуда цикличког напрезања Потребан век трајања Препоручени 316 Дебљина зида плашта Доминантни режим квара Образложење дизајна
Ниска (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
Умерено (50 – 150 МПа) 5 – 10 година 1,0 – 1,2 мм Почетак замора од корозије Танак зид за високу заосталу компресију како би се избегле пукотине
Умерено (50 – 150 МПа) > 10 година 1,4 – 1,6 мм са жарењем након -притискања Размножавање након иницирања Жарење смањује корист од преосталог напрезања; ослањају се на маргину дебљине
Висок (150 – 250 МПа) 3 – 5 година 0,8 – 1,0 мм Покретање замора корозије Максимална резидуална компресија је обавезна; смањен радни век прихватљив.
Висок (150 – 250 МПа) > 5 година Није одрживо за 316ЛО преоптерећење или брзо пуцање Надоградња на Инцолои 825 или титанијум
Варијабилна са честим преоптерећењем. Било које ширење од 1,6 – 2,0 мм након неочекиване пукотине. Маргина дебљине штити од стохастичких догађаја
У апликацијама где су циклична напрезања изазвана вибрацијама, циклусом термичког ширења или променама притиска, важно је бити у стању да измерите или процените амплитуду напона. У недостатку мерења, умерени ниво напрезања од 100 МПа је разумно подразумевано. У овим случајевима дебљина зида од 1,2 мм даје оптималан компромис између предности заосталог напрезања и маргине за ширење. Инжењери би такође требало да размотре препоруку накнадног-жарења за-оплате са дебелим зидовима који се користе у апликацијама великог-циклуса. Жарење на 1050 степени потпуно уклања заостала напрезања, а самим тим и корист од замора од корозије танких зидова, али и заостала затезна напона на унутрашњој површини која могу довести до ширења лома. Жарени омотач од 1,6 мм има сличан укупни век замора као и не-нежарени омотач од 1,2 мм, што нуди алтернативни приступ за постизање дугог века трајања без ослањања на танке зидове. Производна способност и цена су функција уских зидова са високим заосталим напрезањем или дебелих зидова са жарењем. За већину поморских примена са присутним, али не јаким вибрацијама, дебљина зида од 1,2-1,4 мм са нормалним савијањем ће дати поуздане перформансе замора од корозије без додатне обраде.