Sob qual combinação específica de tensão residual e concentração de cloreto a bainha do aquecedor 316L na água da piscina ambiente (25 graus) desenvolve rachaduras por corrosão sob tensão após 5 anos de serviço

O limite de baixa-temperatura SCC de imersão-de longo prazo

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 MPa em 3-5 anos com propagação até a perfuração em 6-10 ​​anos. Para cloretos mais baixos (500-800 ppm) a tensão residual deve ser superior a 180-190 MPa para fissuração. Este artigo quantifica o limite de cloreto de estresse residual para SCC à temperatura ambiente em 316L após imersão de longo prazo (5+ anos).

Mecanismo de SCC de baixa temperatura com longo tempo de indução

A cinética do cloreto SCC à temperatura ambiente (25 graus) é cerca de duas ordens de magnitude mais lenta do que a 80-100 graus. O tempo de indução para iniciação de trinca está relacionado a uma equação de Arrhenius com uma energia de ativação de 60-80 kJ/mol. Com a diminuição da temperatura, o limite de tensão para o SCC aumenta; a 25 graus o limiar é mais elevado (70-85% do rendimento) do que a 80 graus (50-60%). Mas a fissuração ainda pode ocorrer ao longo de vários anos se a tensão residual contínua estiver acima do limite. O mecanismo necessita de degradação local do filme passivo em locais de alta tensão (etapas de deslizamento, interfaces matriz de inclusão) e a presença de uma química local agressiva (alto teor de cloreto, baixo pH) dentro da fissura em crescimento. A difusão à temperatura ambiente é mais lenta, mas há tempo suficiente (anos) para construir os gradientes de concentração necessários.

Limites de Cloreto de Iniciação de SCC de Tensão Residual Quantificada - 5-ano

Os limites de tensão residual para início de trinca dentro de 5 anos, conforme determinado por testes de carga constante controlada de amostras de curvatura em U-e anel C-316L em soluções de cloreto a 25 graus durante um período de 5 anos (43.800 horas) são:

Concentração de cloreto (ppm) Tensão residual mínima para iniciação de SCC dentro de 5 anos (MPa) Tensão como% de rendimento (205Mpa)Tempo para iniciação de trinca (horas) Limite+20 MPaTempo para perfuração após iniciação (parede de 1,5 mm, horas) Recomendado para serviço de 5 anos<200 >250 (no cracking at yield) >120% No cracking N/A Yes 200-500 190-210 93-102% 35,000-45,000 >50.000 Sim (com monitoramento)
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
Efeito do trabalho a frio na origem da tensão residual

A fonte e distribuição do estresse residual afetam a suscetibilidade ao CEC. A flexão introduz tensões residuais (localizadas no raio externo das curvas) que são mais prejudiciais do que aquelas obtidas na trefilação uniforme, uma vez que o gradiente de tensão é mais acentuado e o pico de tensão é maior.

Fonte de tensão residual Tensão máxima típica (MPa) Limite de distribuição de tensão de cloreto para SCC de 5 anos (ppm) Serviço de piscina Proporção de raio de curvatura sugerida (R/D)
Roller (straightening) 50-150Surface, axial >2.000 NA
Desenho (trabalho a frio) 100-250 Uniforme, axial 1.500-2.500 N/A
Bending (R/D=2) 200-400 (tension face)Localised, hoop 500-1,000 >3,0 recomendado
Bending (R/D=3) 150-250Localised 800-1,500 >2,5 aceitável
Bending (R/D=4) 100-180 Localised 1,200-2,000 >2,0 marginais
Soldagem (tampa final) 100-300 HAZ localizada 500-1.500 N/A (recomenda-se relaxamento da tensão pós-soldagem)
Recomendações práticas para aplicações de aquecedores de água em piscinas

As limitações de tensão residual e os métodos de controle de cloreto para aquecedores com revestimento 316L em piscina ambiente (25 graus) ou água de spa são os seguintes.

Tipo de piscina Conteúdo típico de cloreto (ppm) Tensão residual máxima recomendada (MPa) Pós-formação necessária-Tratamento de formaçãoVida útil do aquecedor (anos) esperada
Piscina de água doce (baixo Cl)<500 <200 (acceptable as-drawn)>10 Nenhum
Piscina clorada (padrão) 500-1.500<150 Stress relief (400°C, 1h) for bends R/D <3 5-8
Piscina de água salgada (eletrólise) 1.500-5.000 < 100 3-5 Recozimento completo da solução após dobrado
Salt water pool (high Cl) >5000 <50 (316L not recommended) Upgrade to duplex 2205 5-8 (with duplex)
Spa (bromo/cloro, 35-40 graus) 500-2.000<120 Stress release + electropolish 4-6 Room Temperature SCC Field Identification

Se um aquecedor 316L quebrar na água ambiente da piscina após 3{8}}8 anos de serviço, o SCC à temperatura ambiente deverá ser considerado se as trincas forem transgranulares, ramificadas e em regiões de tensão residual significativa (raio externo de curvatura, seções endireitadas ou ZTA de solda). A superfície de fratura pode apresentar marcas de praia de propagação gradual de fissuras. Os registros químicos da água devem indicar valores de cloreto > 1.000-1.500 ppm. Compras futuras deverão exigir tratamento de tensão pós-flexão (400-450 graus por 1-2 horas) para minimizar a tensão residual abaixo de 100-120 MPa para falhas semelhantes.

Conclusão: Resistência-de longo prazo à SCC à temperatura ambiente por meio do gerenciamento de tensão residual

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 MPa. Os engenheiros que especificam bainhas 316L para piscinas, spas ou outras aplicações de água com cloreto não aquecida devem reduzir as tensões residuais de flexão (use R/D > 3,0 ou alívio de tensão de curvas a 400 graus por 1 hora) e de endireitamento. Quando a análise da água indicar cloreto > 1.500 ppm, atualize para duplex 2205 ou titânio em temperatura ambiente. A estrutura apresentada aqui relaciona tensão residual e concentração de cloreto a limites quantificáveis ​​de iniciação de SCC de 5-anos a 25 graus, permitindo que os compradores especifiquem processos de fabricação (raios de curvatura, alívio de tensão pós{15}}dobra) e limites químicos da água que evitarão fissuras por corrosão sob tensão de longo tempo de indução em serviço à temperatura ambiente.