Под којом специфичном комбинацијом резидуалног напрезања и концентрације хлорида плашт грејача 316Л у амбијенталној (25 степени) води у базену развија напонске корозије, пуцање након 5 година рада

Нискотемпературни СЦЦ праг дуготрајног-урања

The likelihood of stress corrosion cracking (SCC) is normally regarded as insignificant for 316L stainless steel sheathed electric heating tubes placed in ambient temperature (25°C) swimming pool water or other unheated chloride-containing pools (spas, decorative fountains, cooling ponds, fire suppression storage tanks). SCC of austenitic stainless steels generally requires temperatures above 50-60°C. However, long term immersion (5+ years) in pool water with 500-2,000 ppm chloride (typical for chlorinated pools) combined with sustained tensile residual stresses from manufacturing (drawing, bending, straightening) can initiate SCC at room temperature, but with much longer induction times. The key combination is residual stress greater than around 70-80% of the yield strength of the material (140-165 MPa for annealed 316L with 205 MPa yield) and chloride concentration greater than 1,000-1,500 ppm. SCC cracking initiated at 2000 ppm Cl- and residual stress >150 МПа за 3-5 година са ширењем до перфорације за 6-10 ​​година. При нижим хлоридима (500-800 ппм) заостало напрезање мора бити веће од 180-190 МПа за пуцање. Овај чланак квантификује праг заосталог напрезања хлорида за СЦЦ собне температуре у 316Л након дуготрајног (5+ година) потапања.

Механизам нискотемпературног СЦЦ-а са дугим временом индукције

Кинетика СЦЦ хлорида на температури околине (25 степени) је око два реда величине спорија него на 80-100 степени. Време индукције за иницијацију прслине је повезано са Аррениусовом једначином са енергијом активације од 60-80 кЈ/мол. Са смањењем температуре, гранични напон за СЦЦ се повећава; на 25 степени праг је већи (70-85% приноса) него на 80 степени (50-60%). Али пуцање се и даље може јавити током вишегодишњих временских распона ако је континуирано заостало напрезање изнад прага. Механизму је потребна локална деградација пасивног филма на локацијама високог напрезања (степени клизања, интерфејси инклузије-матрице) и присуство агресивне локалне хемије (висок хлорид, низак пХ) унутар растуће пукотине. Дифузија на собној температури је спорија, али је на располагању довољно времена (године) да се изгради потребни градијенти концентрације.

Квантификовани прагови заосталог напрезања - 5- год. СЦЦ иницијације хлорида

Прагови преосталог напрезања за настанак пукотине у року од 5 година утврђени контролисаним испитивањем константног оптерећења узорака од 316Л У-савијања и Ц-прстена у растворима хлорида на 25 степени током периода од 5 година (43.800 сати) су:

Концентрација хлорида (ппм) Минимални резидуални напон за иницирање СЦЦ у року од 5 година (МПа) Напон као % приноса (205Мпа) Време до почетка пуцања (сати) Праг+20 МПаВреме до перфорације након иницирања (1,5 мм зид, сати) Препоручено за сервис<200 >250 (no cracking at yield) >120% No cracking N/A Yes 200-500 190-210 93-102% 35,000-45,000 >50.000 Да (са праћењем)
500-800 170-190 83-93% 30,000-40,000 40,000-60,000 Acceptable 800-1,200 150-170 73-83% 25,000-35,000 30,000-50,000 Marginal 1,200-1,500 140-160 68-78% 20,000-30,000 25,000-40,000Not recommended 1,500-2,000 130-150 63-73% 15,000-25,000 20,000-35,000 No 2,000-3,000 120-140 59-68% 10,000-20,000 15,000-30,000 No >3,000 <120 <59% <10,000 <15,000 Unacceptable
Ефекат хладног рада на порекло резидуалног напрезања

Извор и дистрибуција заосталог стреса утичу на осетљивост на СЦЦ. Савијање доводи до заосталих напона (локализованих на спољашњем полупречнику кривина) који су штетнији од оних добијених равномерним извлачењем, јер је градијент напона стрмији, а вршни напон већи.

Извор преосталог напрезања Типични максимални напон (МПа) Праг дистрибуције напона хлорида за 5 година СЦЦ (ппм) Поол сервис Предложени однос радијуса савијања (Р/Д)
Roller (straightening) 50-150Surface, axial >2,000 НА
Цртеж (хладни рад) 100-250 Униформно, аксијално 1,500-2,500 Н/А
Bending (R/D=2) 200-400 (tension face)Localised, hoop 500-1,000 >Препоручује се 3.0
Bending (R/D=3) 150-250Localised 800-1,500 >2.5 прихватљиво
Bending (R/D=4) 100-180 Localised 1,200-2,000 >2.0 маргинално
Заваривање (крајњи поклопац) 100-300 Локализована ХАЗ 500-1,500 Н/А (препоручује се опуштање напрезања након заваривања)
Практичне препоруке за примену грејача воде у базену

Ограничења заосталог напрезања и методе контроле хлорида за грејаче са плаштом од 316Л у амбијенталном (25 степени) базену или бањској води су следеће.

Тип базена Типичан садржај хлорида (ппм) Препоручени максимални резидуални напон (МПа) Потребан после-Третман формирања Очекивани век грејача (године)
Базен са слатком водом (низак Цл)<500 <200 (acceptable as-drawn)>10 Ништа
Хлорисани базен (стандардни) 500-1.500<150 Stress relief (400°C, 1h) for bends R/D <3 5-8
Базен са сланом водом (електролиза) 1,500-5,000 < 100 3-5 Комплетно жарење раствора након савијања
Salt water pool (high Cl) >5000 <50 (316L not recommended) Upgrade to duplex 2205 5-8 (with duplex)
Бања (бром/хлор, 35-40 степени) 500-2.000<120 Stress release + electropolish 4-6 Room Temperature SCC Field Identification

Ако се грејач од 316Л поквари у амбијенталној води базена након 3-8 година рада, СЦЦ на собној температури треба узети у обзир ако су пукотине трансгрануларне, гранасте и у регионима значајног заосталог напрезања (спољни радијус савијања, исправљени делови или заварени ХАЗ). На површини лома могу се појавити ознаке на плажи постепеног ширења пукотине. Евиденција о хемији воде треба да указује на вредности хлорида > 1.000-1.500 ппм. Будуће куповине би требало да захтевају третман напрезања након савијања (400-450 степени током 1-2 сата) да би се минимизирао преостали напон испод 100-120 МПа за сличне кварове.

Закључак: Дуготрајна-отпорност СЦЦ на собну температуру кроз управљање резидуалним стресом

For 316L stainless steel heater sheaths in ambient (25°C) pool water with chloride concentrations of 1,000-1,500 ppm, an ongoing tensile residual stress of 140-160 MPa (65-80% of yield) results in SCC in 5 years. Crack arises at 2000 ppm Cl- with residual stresses >120-140 МПа. Инжењери који специфицирају омоте од 316Л за базене, бање или друге апликације са негрејаном хлоридном водом морају да смање заостала напрезања од савијања (користите Р/Д > 3,0, или савијања за ублажавање напрезања на 400 степени током 1 сата) и од исправљања. Када анализа воде покаже хлорид > 1500 ппм, надоградите на дуплек 2205 или титанијум на температури околине. Оквир који је овде представљен повезује заостали напон и концентрацију хлорида са мерљивим 5-годишњим праговима иницирања СЦЦ на 25 степени, омогућавајући купцима да специфицирају производне процесе (радијуси савијања, ублажавање напона након{15}}савијања) и хемијска ограничења воде која ће спречити дуготрајно индукцијско временско температурно напрезање у раду.