Како проценат смањења извлачења цеви на омотачу грејача од нерђајућег челика од 316 мења еквивалентни број отпорности на удубљење у растворима хлорида

Утицај механичке деформације на хемију пасивног филма и дистрибуцију инклузије

The manufacturing history of 316 stainless steel sheathed electric heating tubes, particularly the percentage reduction due to cold drawing to which the tubing is subjected prior to the final annealing, has a measurable, but often ignored, effect on the intrinsic pitting resistance of the material in chloride containing media. The pitting resistance equivalent number (PREN = weight percent Cr + 3.3×Mo + 16×N) is computed from bulk chemistry and is generally a constant material attribute for a specific alloy grade . But cold drawing redistributes non-metallic inclusions, refines the grain structure and may change the effective concentration of chromium and molybdenum at the tube surface by strain-induced diffusion. High reduction percentages (>40-50%) може довести до руптуре масивних инклузија сулфида мангана, стварајући микропукотине које су повољна места за иницијацију питтинга, без обзира на обимни ПРЕН. У овом раду је квантификован утицај процента извлачења цеви на ефективну отпорност на таложење 316 омотача у топлим растворима хлорида и описан је оквир спецификације за избор смањења извлачења на основу јачине корозије.

Металуршки однос између хладног рада и осетљивости на удубљење

Хемијски састав масе остаје непромењен пластичном деформацијом када се цев од нерђајућег челика 316 хладно вуче да би се смањио спољни пречник и дебљина зида. Он, међутим, модификује три микроструктурне карактеристике које утичу на локализовану корозију. Први ефекат деформације је издуживање неметалних инклузија, углавном МнС и оксидних кластера, у правцу цртања. Издужене инклузије имају већи континуирани интерфејс са околном аустенитном матриксом и стога повећавају могућност да се јама формирана на једном укључивању шири дуж границе инклузије-матрице уместо да се репасивира. Друго, велике МнС инклузије се ломе тешким хладним радом (смањење > 40%) да би се добиле микропукотине које се не поправљају накнадним жарењем осим ако температура није изнад 1050 степени. Ове микропукотине делују као пукотине које држе хлоридне јоне и одржавају локално агресивну хемију, чиме почињу да се питингају на потенцијалима који су много нижи од потенцијала булкастог рупица. Треће, рад на хладно подиже густину дислокације за три до четири реда величине са око 10{суп 8} цм{суп -2} у жареном материјалу на 10{суп 11} до 10{суп 12} цм-2} у 40% хладно вученом материјалу. Дислокације су високоенергетске области где је пасивни филм тањи и неисправнији и тако осетљивији на распад изазван хлоридом. Нето утицај је да две епрувете са једнаким ПРЕН-ом из хемије у расутом стању могу имати варијације температуре удубљења од 10-15 оЦ само због разлика у проценту смањења хладног извлачења примењеног пре коначног жарења.

Жарење након цртања као критични рестаураторски корак

Губитак отпорности на удубљење изазван хладним радом није трајан. Пуно жарење раствора на 1040-1100 степени и брзо гашење водом доводе до рекристализације структуре зрна, уклањања дислокација и сфероидизације издужених инклузија. жарење враћа отпорност на таложење веома хладно-вучене цеви на отпорност лагано вучене цеви исте хемијске масе. Али индустријска пракса израде омотача грејача се у великој мери разликује. Неки произвођачи извлаче цеви до коначних димензија, смањујући почетну шупљу гредицу за 60-70%, а затим жаре пре сечења на дужину и савијања. Други цртају неколико пута са средњим жарењем остављајући цев у полу-тврдом или четвртину- стању (10-25% хладног рада) без коначног потпуног жарења, ослањајући се на топлоту будућег заваривања и савијања да би се делимично ослободили напетости. За последњу технику, резидуални рад на хладном (обично 10-25 %) смањује еквивалентну вредност ефективне отпорности на удубљење за 2-4 поена. У пракси, цев са расутим ПРЕН=25 (нпр.. 17%Цр, 2,2%Мо, 0,06%Н) се понаша као ПРЕН=22-23 у хладно обрађеном стању, што узрокује смањење критичне температуре питтинга од 8-12 степени. На 80 степени и истој концентрацији хлорида, на хладно обрађеној цеви ће се појавити питтинг, док ће потпуно жарена цев бити пасивна.

Квантификација ефекта смањења вучења на температуру питинга и време индукције

Квантитативне везе су утврђене лабораторијским испитивањем 316 цеви од нерђајућег челика са контролисаним смањењем извлачења и накнадним мерењима потенцијала питинга у 1 М НаЦл на 80 степени. За потпуно жарени материјал (0-5% хладног рада) потенцијал критичног питтинга је обично 300-350 мВ у односу на СЦЕ, а критична температура питтинг (ЦПТ) у 1 М НаЦл је 55-65 степени. За материјале са 15% хладног рада (четвртина-тврђе) ЦПТ се смањује на 48-55 степени. За 25% хладан рад (полутврд) пада још ниже на 40-48 степени. За 40% хладан рад (пуна тврда) ЦПТ се смањује на 30-38 степени. За употребу, правилно жарени омотач 316 неће показивати рупице током 5-8 година у 2000 ппм хлоридној води на 90 степени. Са истом хемијом у расутом стању и 25% заосталог рада на хладном, удубљење ће почети за 12-24 месеца под истим флуидним околностима. Време индукције до почетка удубљења је експоненцијално са процентом хладног рада. Сваких 5% повећања хладног рада отприлике преполови време до првог удубљења у датој средини са температуром хлорида. Табела у наставку приказује ове односе за типичну 316 хемију (ПРЕН=25) за различите концентрације хлорида и радне температуре.

Residual Cold Work after Drawing (%) Heat Treatment after Drawing Effective PREN (calculated) Critical Pitting Temperature in 2000 ppm Cl⁻ (°C) Time to Pit Initiation at 90 °C, 500 ppm Cl⁻ Recommended Service Environment 0-5 (completely annealed) Full solution anneal 1040 °C + quench 25 58 >8 година Све услуге хлорида до 3000 ппм, 90 степени 5-10 Само делимично ослобађање од стреса 24-25 53-58 5-8 година Прихватљиво за умерене хлориде (<1500 ppm) 
10-15 Без жарења; као што је нацртано четвртина тврдоће 23-24 48-533-5 година хлоридног сервиса (<800ppm)
15-20 Без жарења, вучено до пола тврдо 22-23 44-48 2-3 година Маргинално, само мало хлорида (<400 ppm)
20-25 Без жарења, тврдо вучено21-22 40-44 12-24 месеци Није погодно за континуирани рад хлора
25-35 Без жарења; пуна тврда 19-21 34-40 6-12 месеци Неприхватљиво за било коју влажну хлоридну средину
Any , post anneal Full solution anneal after all drawing Full PREN restored 55-65 (depends on bulk chemistry) >8 година (зависно од масовног ПРЕН) Преферирани стандард за све корозивне услуге
Практична провера стања хладног рада и адекватности жарења

Постоје три практична начина за купце 316 обложених грејача за употребу хлорида како би се осигурало да је цев у потпуности жарена и да има минималан преостали хладни рад. Први је мерење магнетне пермеабилности помоћу феритскопа. Потпуно жарени аустенитни нерђајући челик 316 је немагнетни са релативном пермеабилности (μр) мањом од 1,02. Мартензит-индукован деформацијом, који је феромагнетски, формира се у хладно кованом 316. Очитавање изнад 1,05 сугерише најмање 10-15% хладног рада, док 1,10 препоручује 20-25% хладног рада. Други метод је испитивање микротврдоће на делу зида цеви. Жарени 316 има тврдоћу по Викерсу од 150-180 ХВ. Четвртина тврдог материјала је 200-240 ХВ. Полутврда је 250-300 ХВ. Фулл-хард је 320 ХВ и више. Трећи тест је тест електрохемијске потенциокинетичке реактивације (ЕПР) који мери степен сензибилизације и оштећења при хладном раду. ЕПР вредности мање од 0,5 Ц/цм2 указују на темељно жарени материјал, док вредности веће од 2,0 Ц/цм2 указују на значајну заосталу деформацију. Спецификација сертификата о жарењу пуног раствора (температура, време и метода гашења) заједно са максималном магнетном пермеабилношћу од 1,05 у спецификацијама за куповину нуди применљиву гаранцију квалитета.

Однос могућности хладног рада, заваривања и завршног жарења

Типично производно ограничење је чињеница да потпуно жарење раствора није увек могуће након савијања и заваривања. Грејачи дугих У-цеви, посебно они са причвршћеним прирубницама и заштитним омотачима, не могу се практично жарити, јер би висока температура изобличила склоп, оксидисала унутрашњи МгО или оштетила неметалне компоненте. У тим случајевима најважнији фактор за коначну отпорност на корозију је хладно радно стање сирове цеви пре обликовања. Ако се цев треба испоручити у потпуно жареном стању (0 до 5 процената хладног рада) пре савијања, онда ће чак и са додатком 10 до 15 процената хладног рада из операције савијања, крајње заостало напрезање бити мање од 20 процената. За грејаче који морају да се користе у савијеном стању без коначног жарења, избор цеви са већим садржајем молибдена (нпр.. 316Л са 2,5-2,7 % Мо уместо минимално 2,0 %) нуди компензујуће повећање ПРЕН. Цев са великим ПРЕН=27 и 15% остатка хладног рада има ефективни ПРЕН ≈ 25, исто као и потпуно жарени стандард 316. Овај приступ коришћења врхунске хемије за компензацију ограничења производње типичан је за велике, компликоване склопове грејача где жарење након производње није опција.

Закључак – Дефинисање услова жарења са хемијом за корозивну употребу

Отпорност на удубљење грејача обложених нерђајућим челиком 316 у растворима хлорида није функција расутог ПРЕН-а као што је наведено само у сертификату млина. Смањење хладног извлачења које се користи током производње цеви и то да ли је цев након свих операција формирања добила пун раствор, може да помери ефективну температуру удубљења за 10-20 степени и промени време до почетка удубљења за фактор 5-10. За грејаче са континуираним радом у хлоридима изнад 500 ппм или на температурама изнад 80 степени, купац треба да тражи потврду да је завршени омотач (укључујући кривине и заваре) у потпуности жарио раствором. Када накнадно жарење није изводљиво, разумна опција је коришћење премиум хемије (316Л са ПРЕН већим или једнаким 26) и захтевање услова за улазак у жарену цев (тврдоћа < 180 ХВ, пермеабилност мања или једнака 1,02). Парадигма развијена у овом раду повезује % смањења извлачења цеви и историју жарења са видљивом отпорношћу на точење. Ово омогућава инжењерима да изаберу 316 грејача са плаштом који ће дати предвидљиве перформансе корозије, уместо да зависе само од хемије.