Como a porcentagem de alongamento residual do teste de tração da tubulação com bainha de aço inoxidável 316 se correlaciona com a conformabilidade e a resistência à fissuração por corrosão sob tensão durante a flexão do aquecedor

O parâmetro de ductilidade: controlando a capacidade de fabricação e a vida útil

A porcentagem de alongamento residual medida em um teste de tração padrão (porcentagem de alongamento após fratura) de tubos de aço inoxidável 316 usados ​​para fabricar elementos de aquecimento elétrico revestidos é um indicador-chave de dois atributos de desempenho aparentemente não relacionados. Valores de alongamento mais altos (geralmente 40-50% para 316 totalmente recozido) na condição-recebida indicam boa conformabilidade e capacidade de dobrar em raios apertados sem quebra ou retorno elástico excessivo. No entanto, as mesmas características microestruturais que impulsionam o alongamento rápido-grãos grandes de austenita equiaxiais com baixa densidade de deslocamento-também aumentam a vulnerabilidade à fissuração por corrosão sob tensão (SCC) em condições de cloreto quente. Por outro lado, tubos de alongamento moderado (25 a 35 por cento provenientes de trabalho parcial a frio) apresentam melhor resistência ao SCC, mas são propensos a trincas durante operações de dobramento. Este artigo fornece uma compreensão quantitativa da relação entre a porcentagem de alongamento à tração, as limitações de conformabilidade à flexão e a resistência ao SCC em-serviço e propõe uma estrutura de especificação para equilibrar o rendimento da fabricação com a confiabilidade a longo prazo.

A base metalúrgica da relação inversa entre ductilidade e resistência ao CAA

A% de alongamento do aço inoxidável 316 é controlada principalmente pelo tamanho do grão e pela densidade de discordância. A tubulação totalmente recozida (solução recozida a 1040–1100 graus seguida de têmpera rápida) tem tamanho de grão médio de ASTM 6–8 (30–50 µm), baixa densidade de deslocamento (10⁸–10⁹ cm⁻²) e valores de alongamento de 45–55% em testes típicos de tração longitudinal. Esta alta ductilidade permite que a tubulação seja dobrada em raios apertados (relações R/D tão baixas quanto 1,5) sem rachar, uma vez que os grãos podem deslizar e girar para atender à deformação plástica. No entanto, os grãos grandes e as bordas claras dos grãos oferecem caminhos contínuos para a propagação do SCC. Em ambientes de cloreto aquecido (60-100 graus, 500-2.000 ppm de Cl⁻), as trincas nucleam em etapas de deslizamento na superfície e se propagam transgranularmente ao longo dos planos cristalográficos. Em estruturas de granulação grande, uma trinca pode atingir 100-200 µm antes de encontrar uma barreira de grãos que possa desviá-la ou prendê-la. Uma pequena quantidade de trabalho a frio anterior (redução de 10-20%, resultando em valores de alongamento de 25-35%) resulta em densidade de discordância significativa e na produção de bandas de deformação e martensita induzida por deformação. Estas características atuam como obstáculos à propagação da fratura, produzindo rotas tortuosas e alterando o estado de tensão na ponta da trinca. A resistência do SCC é melhorada de 3 a 5 vezes, conforme determinado pelo tempo até a falha no teste de ebulição do cloreto de magnésio. No entanto, o mesmo trabalho a frio também reduz a conformabilidade restante para flexão. Tubos com alongamento de 25% geralmente podem ser dobrados para proporções R/D de apenas 2,5-3,0 antes que ocorram rachaduras na superfície, em comparação com 1,5-2,0 para material totalmente recozido.

Quantificação dos limites de conformabilidade à flexão em função do alongamento

O raio mínimo de curvatura para tubos de aço inoxidável 316 sem ruptura está intimamente ligado ao alongamento uniforme do material. O alongamento uniforme é a deformação na qual o estreitamento começa. Para uma determinada porcentagem de alongamento (e) o raio de curvatura mínimo R min em relação ao diâmetro externo do tubo D é de cerca de R min /D=(50/e) - 0.5 para diâmetros de tubo comuns. Esta relação empírica, baseada em dados de testes de curvatura para tubos com diâmetro externo de 10 a 20 mm, é um guia útil para determinar a condição da tubulação em relação à geometria dobrada desejada. Para um aquecedor que precisa de uma curvatura de 1,5D (raio de 15 mm em tubo de 10 mm), o alongamento necessário é de cerca de 45-50%, portanto, é necessário um tubo totalmente recozido. Para uma curvatura 2,5D, o alongamento necessário é reduzido para 28-33%, permitindo o uso de tubos levemente trabalhados-a frio (um quarto de dureza). Para curvas de varredura de 4D ou maiores, um alongamento de 20-25% é suficiente e um tubo semi-duro pode ser usado. A tabela a seguir fornece algumas informações específicas relacionadas à taxa de flexão necessária, ao alongamento de tração mínimo necessário para a formação sem fissuras e às consequências resultantes para a resistência do SCC em serviço.

Relação do raio de curvatura necessária (R/D) Alongamento mínimo necessário para evitar rachaduras (%) Condição recomendada da tubulação (dureza/trabalho a frio Resistência ao cloreto quente SCC (em relação ao totalmente - recozido) Cloreto máximo recomendado (ppm) a 90 graus Temp da bainha 1,0-1,5 (dobra extremamente apertada) 48-55 Totalmente recozido (80-90 HRB, 150-180 HV) Linha de base (1×)<300
1,5-2,0 (curvatura em U padrão) 40-48 Totalmente recozido ou recozido leve Linha de base para 1,2×<400 2.0-2.5 33-40 Quarter-hard (88-95 HRB, 180-220 HV) 1.5-2× <800 2.5-3.0 28-33 Quarter-hard to half-hard (95-100 HRB, 220-250 HV) 2-3× <1500
3.0-4.0 22-28 Meio-difícil (100-105 HRB, 250-280 HV) 3-4×<25004.0 (sweep bend) 18-22 Half hard to full hard (105-110 HRB, 280-320 HV) 4-5× <4000
O compromisso prático para fabricantes e especificadores de aquecedores

Para um fabricante de aquecedores, a tubulação totalmente recozida é a melhor escolha para maximizar o rendimento da produção, já que curvas apertadas podem ser feitas sem quebrar e menos retorno elástico significa menos fixação. No entanto, um aquecedor construído com tubulação 316 totalmente recozida, mesmo com a química adequada, pode falhar precocemente em água contendo-cloreto devido ao SCC-não porque o material seja ruim, mas porque a microestrutura de alta ductilidade é naturalmente mais vulnerável. Para o usuário final que está especificando um aquecedor para um ambiente de cloreto conhecido, a solução ideal é especificar a tubulação que foi levemente trabalhada-a frio (redução de 15-20%, alongamento de 25-35%) antes da dobra e escolher um raio de curvatura que este material possa acomodar. Se a aplicação for uma curvatura de 1,5D (por exemplo, um tubo em U compacto para um tanque pequeno), um tubo totalmente recozido pode ser a única opção prática. O usuário deve viver com vida útil reduzida do SCC ou atualizar a liga para 316L ou 316Ti com ductilidade semelhante, mas melhor resistência ao SCC devido ao menor teor de carbono ou adições estabilizadoras. Para novos projetos, especificar um raio de curvatura maior (R/D maior ou igual a 2,5) sempre que possível permitiria o uso de tubos com um quarto de dureza, que apresentam resistência SCC substancialmente melhor, com pouco comprometimento na conformabilidade.

Métodos de validação para alongamento suficiente e qualidade de dobra

Buyers who specify 316 sheathed heaters have three verification techniques to assure the tubing utilised has the specified elongation for both the required bend geometry and the predicted service environment. The first is the tensile test report from the tubing supplier, showing % elongation (usually measured over 50 mm, or 2 inches) and yield strength. Elongation must be >40% para flexão de resistências R/D < 2,0. Para P/D entre 2,0-3,0 o alongamento deve ser maior ou igual a 30%. A segunda verificação é um teste de flexão com orientação em uma amostra da tubulação real após a flexão, mas antes da montagem no aquecedor. O teste é uma curvatura de 180 graus em torno de um mandril de raio apropriado com observação visual com ampliação de 10x. O alongamento é insuficiente para o raio de curvatura se houver fissuras maiores que 0,5 mm. A terceira verificação é o teste de dureza do aquecedor acabado no raio externo da curvatura. Se a dureza for inferior a 250 HV, o tubo foi recozido adequadamente antes de dobrar; se for superior a 320 HV, o tubo foi sobrecarregado na curva a partir de um estado parcialmente recozido e isso diminuirá a ductilidade enquanto aumentará a resistência do SCC, mas o primeiro poderá causar fissuras rápidas. Para serviços em ambientes onde o SCC é uma preocupação, um teste de EPR (reativação eletroquímica potenciocinética) em uma amostra da seção reta do aquecedor acabado confirma que o material não foi totalmente recozido, um valor de EPR superior a 1,5 C/cm2 indica que algum trabalho a frio permanece, o que é benéfico para a resistência ao SCC.

Tratamento térmico pós{0}}dobra: considerações especiais e efeitos no alongamento

If a heater needs both tight radius bends (R/D < 2.0) and excellent SCC resistance for chloride service, then post-bend solution annealing offers a way to satisfy both criteria. The tube can be fully annealed for bending (elongation >45%), formed to the tight radius and then given a full solution anneal (1040-1100°C, water quench) which relieves bending stresses, recrystallises the grain structure and removes cold work. This treatment restores the elongation to >45%, mas a resistência do SCC não é melhor que a do material totalmente recozido-. Curvas apertadas e alta resistência ao SCC não podem ser alcançadas pelo relaxamento parcial da tensão pós{3}}dobra a 400-500 graus, uma vez que não recristaliza a estrutura do grão. A única maneira de preservar o trabalho a frio (e, portanto, a resistência do SCC) após a dobra é fazer a dobra com um tubo que já esteja na condição de trabalho a frio (por exemplo, um quarto-de dureza com 30% de alongamento). A ductilidade do tubo-de um quarto de dureza deve ser tal que, se uma curvatura de 2,0D for necessária, ela sobreviverá a uma curvatura de 2,0D sem rachar. Se R/D for inferior a 2,0, a tubulação com um quarto de dureza normalmente quebrará, portanto, o projetista deve aceitar um P/D maior, ou usar tubulação totalmente recozida com menor resistência ao SCC, ou atualizar para uma liga melhor resistente ao SCC (duplex 2205) que combina alta resistência com boa conformabilidade.

Conclusão: Definição do alongamento como parâmetro de qualidade para dois propósitos

O alongamento percentual do teste de tração da tubulação de bainha de aço inoxidável 316 não é apenas um critério de aceitação de qualidade, mas também um preditor direto do raio de curvatura mínimo sem rachaduras durante a fabricação do aquecedor e a subsequente resistência à corrosão sob tensão no serviço com cloreto quente. O tubo totalmente recozido (45-55% de alongamento) oferece a melhor conformabilidade até curvas de raio estreito R/D=1.5, mas menor resistência ao SCC. A tubulação-trabalhada a frio (25-35% de alongamento) proporciona melhor resistência ao SCC, mas requer raios de curvatura mais longos (R/D > 2,5) para evitar rachaduras durante a conformação. A escolha do alongamento da tubulação é determinada pela geometria da curvatura especificada e pela concentração estimada de cloreto. Os engenheiros que especificam aquecedores revestidos para ambientes com cloreto devem considerar ambos. Se a aplicação exigir curvas apertadas e forte resistência ao SCC, então o raio de curvatura deverá ser aumentado, a liga atualizada para 316L ou duplex, ou a vida útil estimada deverá ser reduzida. Os compradores podem especificar tubos com bainha 316 que encontram um equilíbrio entre capacidade de fabricação e confiabilidade de longo prazo em ambientes corrosivos. Esta estrutura relaciona o alongamento à tração com a dualidade de conformabilidade e resistência ao SCC.