Dla inżynierów morskich zajmujących się elektrycznymi grzałkami zanurzeniowymi dla platform przybrzeżnych, systemów pokładowych i przybrzeżnych zakładów przemysłowych połączenie cyklicznego obciążenia mechanicznego i korozji chlorkowej powoduje szczególnie agresywny mechanizm awarii znany jako zmęczenie korozyjne. W przeciwieństwie do czystego zmęczenia w powietrzu lub czystej korozji w warunkach statycznych, zmęczenie korozyjne powoduje inicjację pęknięć przy znacznie niższych amplitudach naprężeń i krótszych cyklach życia. Naprężenia szczątkowe wprowadzone podczas procesu kształtowania-stosowanego do zagęszczania izolacji z tlenku magnezu wokół drutu oporowego-oddziałują z naprężeniami eksploatacyjnymi, przyspieszając lub opóźniając rozwój pęknięć, w zależności od ich znaku i wielkości. W artykule określono ilościowo, w jaki sposób grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 wpływa na rozkład naprężeń szczątkowych po kształtowaniu i w jaki sposób te naprężenia szczątkowe modyfikują trwałość zmęczeniową korozyjną w środowiskach morskich.
Wytwarzanie naprężeń szczątkowych podczas kształtowania osłon 316
Kiedy rura ze stali nierdzewnej 316 jest kształtowana z większej średnicy na mniejszą wokół rdzenia wypełnionego MgO-, proces ten wywołuje charakterystyczny wzór naprężeń szczątkowych. Zewnętrzna powierzchnia osłony podlega naprężeniom szczątkowym ściskającym, ponieważ matryce tłoczące wbijają materiał do wewnątrz, podczas gdy powierzchnia wewnętrzna podlega naprężeniom szczątkowym rozciągającym, gdy zagęszczony MgO wypycha na zewnątrz podczas sprężystego sprężynowania. Wielkość tych naprężeń szczątkowych zależy od grubości ścianki w stosunku do zmniejszenia średnicy. W przypadku cienkiej-osłony-poniżej 1,0 mm-siła kształtowania przenika prawie całą grubość ścianki, powodując powstawanie wysokich naprężeń ściskających na powierzchni zewnętrznej (zwykle -200 do -300 MPa) i umiarkowane naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej (+50 do +100 MPa). W przypadku osłony o grubych-ściankach-powyżej 1,8 mm-siła kształtująca jest absorbowana głównie w warstwach zewnętrznych, powodując powstawanie wysokich naprężeń ściskających tylko w pobliżu powierzchni zewnętrznej, pozostawiając warstwy wewnętrzne stosunkowo nienaruszone. Naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej są również niższe, ponieważ zagęszczenie MgO jest mniej całkowite, jak omówiono w artykule 12. Pomiary dyfrakcji rentgenowskiej naprężeń szczątkowych w kształtowanych osłonach 316 potwierdzają tę zależność. Płaszcz ścienny o grubości 0,9 mm wykazywał powierzchniowe naprężenie ściskające wynoszące -280 MPa. Płaszcz ścienny o grubości 1,5 mm wykazał -180 MPa. Płaszcz ścienny o grubości 2,0 mm wykazał jedynie -120 MPa. Cieńsza osłona magazynuje korzystniejsze naprężenia ściskające na powierzchni zewnętrznej – w miejscu, w którym zwykle rozpoczynają się pęknięcia zmęczeniowe korozyjne.
Jak szczątkowe naprężenia ściskające opóźniają inicjację pęknięć korozyjnych
Zainicjowanie pęknięć zmęczeniowych korozyjnych w stali nierdzewnej 316 wymaga zarówno cyklicznego naprężenia rozciągającego, jak i korozyjnego elektrolitu zawierającego chlorki. Pęknięcie rozpoczyna się w miejscu wgłębienia lub wtrącenia na powierzchni, w miejscu uszkodzenia pasywnej warstwy ochronnej. Jeśli powierzchnia znajduje się w stanie szczątkowego naprężenia ściskającego, przyłożone cykliczne naprężenie rozciągające musi najpierw pokonać to ściskanie, zanim materiał doświadczy napięcia netto na końcu pęknięcia. To skutecznie podnosi naprężenie progowe inicjacji pęknięcia. W przypadku osłony 0,9 mm 316 z resztkowym ściskaniem powierzchni -280 MPa, przyłożone naprężenie cykliczne wynoszące +200 MPa wytwarza jedynie -80 MPa netto na powierzchni, która jest wciąż ściskająca i niezdolna do zapoczątkowania pęknięcia zmęczeniowego. Dopiero gdy zastosowane naprężenie cykliczne przekroczy +280 MPa, powierzchnia ulega napięciu netto. Natomiast osłona o grubości 2,0 mm przy ściskaniu powierzchniowym wynoszącym zaledwie -120 MPa ulega rozciąganiu netto, gdy przyłożone naprężenie przekracza +120 MPa, czyli znacznie niższy próg. Badania zmęczenia korozyjnego w syntetycznej wodzie morskiej w temperaturze 60°C potwierdzają ten efekt. Próbki o grubości ścianki 0,9 mm i wysokim ściskaniu resztkowym przetrwały 10 milionów cykli przy przyłożonym naprężeniu zmiennym 250 MPa bez inicjacji pęknięcia. Próbki o grubości ścianki 2,0 mm i niskim ściskaniu resztkowym uległy uszkodzeniu po 2 milionach cykli przy tym samym przyłożonym naprężeniu. Cieńsza osłona zapewniła pięciokrotnie dłuższą trwałość zmęczeniową korozyjną pomimo mniejszej bezwzględnej grubości ścianki.
Kompromis-pomiędzy korzyścią w zakresie naprężeń szczątkowych a marginesem grubości ścianki
Korzyści wynikające ze zmęczenia korozyjnego cienkościennych-powłok należy zrównoważyć ze zmniejszonym marginesem materiału po zapoczątkowaniu pęknięcia. Płaszcz o grubości 0,9 mm o dużym ściskaniu resztkowym może wytrzymać inicjację pęknięć przez miliony cykli. Jednak gdy pęknięcie pokona pole naprężeń szczątkowych-na przykład z powodu wgłębienia na dużej powierzchni lub przejściowego przeciążenia-, przed perforacją musi przejść jedynie przez 0,9 mm materiału. Osłona o grubości 2,0 mm z mniejszym ściskaniem resztkowym może zainicjować pęknięcie po mniejszej liczbie cykli, ale pęknięcie musi przejść przez głębokość 2,0 mm, aby spowodować uszkodzenie. Całkowity czas życia do awarii jest sumą czasu inicjacji i czasu propagacji. Dane eksperymentalne z badań zmęczenia korozyjnego belki obrotowej w wodzie morskiej o temperaturze 60°C pokazują następujące całkowite cykle do zniszczenia dla osłon o średnicy zewnętrznej 10 mm OD 316 przy naprężeniu przemiennym 200 MPa. Osłona o grubości 0,8 mm osiągnęła łącznie 12 milionów cykli (11,5 miliona inicjacji, 0,5 miliona propagacji). Osłona o grubości 1,2 mm osiągnęła 8 milionów cykli (7 milionów inicjacji, 1 milion propagacji). Osłona o grubości 1,6 mm osiągnęła 5 milionów cykli (3 miliony inicjacji, 2 miliony propagacji). Osłona o grubości 2,0 mm osiągnęła 3,5 miliona cykli (1,5 miliona inicjacji, 2 miliony propagacji). Cienkościenna osłona o wysokim stopniu ściskania szczątkowego zapewnia najdłuższą całkowitą trwałość pomimo minimalnego marginesu propagacji.
Matryca wyboru trwałości zmęczeniowej korozyjnej dla środowisk morskich
W poniższej tabeli podano zalecane grubości ścianek osłony 316 dla elektrycznych grzałek zanurzeniowych w środowiskach morskich w oparciu o oczekiwaną amplitudę naprężeń cyklicznych i wymaganą trwałość użytkową. Wartości zakładają ciągłą ekspozycję na wodę morską lub słonawą w temperaturze 30–60°C i standardowe procesy kształtowania bez wyżarzania końcowego.
| Oczekiwana cykliczna amplituda naprężenia | Wymagany okres użytkowania | Zalecana grubość ścianki osłony 316 | Dominujący tryb awarii | Uzasadnienie projektu |
|---|---|---|---|---|
| Niski (< 50 MPa) | >10 lat | 1,2 – 1,6 mm | Korozja szczelinowa | Korzyści ze stresu szczątkowego mniej ważne; naddatek na korozję wpływa na grubość |
| Umiarkowane (50 – 150 MPa) | 5 – 10 lat | 1,0 – 1,2 mm | Inicjacja zmęczenia korozyjnego | Cienka ściana zapewnia wysoką kompresję resztkową, co zapobiega pęknięciom |
| Umiarkowane (50 – 150 MPa) | >10 lat | 1,4–1,6 mm z wyżarzaniem-końcowym | Rozmnażanie po inicjacji | Wyżarzanie usuwa korzyści wynikające z naprężeń szczątkowych; polegać na marginesie grubości |
| Wysokie (150 – 250 MPa) | 3 – 5 lat | 0,8 – 1,0 mm | Inicjacja zmęczenia korozyjnego | Niezbędne maksymalne ściskanie resztkowe; zaakceptować krótszą żywotność |
| Wysokie (150 – 250 MPa) | >5 lat | Niewykonalne w przypadku 316 | Przeciążenie lub szybkie pękanie | Uaktualnij do Incoloy 825 lub tytanu |
| Zmienna z częstymi przeciążeniami | Każdy | 1,6 – 2,0 mm | Rozmnażanie po nieoczekiwanym pęknięciu | Margines grubości chroni przed nieprzewidywalnymi zdarzeniami |
W zastosowaniach, w których naprężenia cykliczne powstają w wyniku wibracji, cyklicznej rozszerzalności cieplnej lub wahań ciśnienia, niezbędny jest pomiar lub oszacowanie amplitudy naprężenia. Jeżeli pomiar jest niemożliwy, konserwatywną wartością domyślną jest założenie umiarkowanego poziomu naprężenia wynoszącego 100 MPa. W takich przypadkach grubość ścianki 1,2 mm zapewnia najlepszą równowagę korzyści naprężenia szczątkowego i marginesu propagacji. Inżynierowie powinni również rozważyć określenie wyżarzania końcowego-w przypadku grubych-powłok przeznaczonych do zastosowań-wymagających dużej liczby cykli. Wyżarzanie w temperaturze 1050°C całkowicie usuwa naprężenia szczątkowe, eliminując korzyści wynikające ze zmęczenia korozyjnego cienkich ścian, ale także eliminując resztkowe naprężenia rozciągające na powierzchni wewnętrznej, które mogą przyczyniać się do propagacji pęknięć. Wyżarzona osłona o grubości 1,6 mm zachowuje się podobnie-niewyżarzana osłona o grubości 1,2 mm pod względem całkowitej trwałości zmęczeniowej, zapewniając alternatywną drogę do osiągnięcia długiej żywotności bez polegania na cienkich ściankach. Wybór pomiędzy cienkimi ściankami o wysokim naprężeniu szczątkowym a grubymi ścianami z wyżarzaniem zależy od możliwości produkcyjnych i kosztów. W większości zastosowań morskich, gdzie występują wibracje, ale nie są one poważne, grubość ścianki 1,2–1,4 mm przy standardowym tłoczeniu zapewnia niezawodne działanie zmęczeniowe korozyjne bez konieczności specjalnej obróbki.
