Sob qual combinação específica de espessura de parede e tensão residual após a estampagem a bainha do aquecedor 316L desenvolve rachaduras induzidas por hidrogênio retardado-durante o primeiro ciclo de aquecimento

Mecanismo de retenção interna de hidrogênio em bainhas trabalhadas a frio

In the case of electric heating tubes sheathed in 316L stainless steel and produced by swaging (reduction of the tube after filling with MgO and inserting the resistance wire), the interplay between the reduction in wall thickness (swaging reduction percentage) and the resulting residual stress profile may lead to a seldom discussed but catastrophic failure mode, delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle. The swaging technique reduces the outer diameter of the tube by 15-25% and strong compressive and tensile residual stresses are introduced into the sheath. Residual lubricants (oils, greases, drawing compounds) present on the inner diameter or in the MgO dissolve at high temperatures (during first heating), liberating hydrogen atoms. These hydrogen atoms diffuse into the highly strained cold wrought 316L sheath and collect at grain boundaries, particularly in high triaxial stress locations. However, if the combined effect of the wall thickness reduction (>18-20%) and residual stress (>200-300 MPa, >70-80% do rendimento) excede um limite em que a bainha racha durante o primeiro ciclo de aquecimento (normalmente a 200-300 graus) antes que a temperatura operacional normal seja atingida. Este artigo calcula a combinação crucial de redução de estampagem e tensão residual para o primeiro ciclo de craqueamento de hidrogênio.

O mecanismo de craqueamento do hidrogênio no primeiro ciclo

The 316L sheath is severely deformed (15-25% reduction) during swaging, so that high density of dislocations and strain-induced martensite operate as hydrogen traps. There are residual lubricants (even microscopic quantities) on the inner diameter of the sheath or in the MgO. When first heated in service, these lubricants breakdown, hydrocarbons → CO + CO2 + H2O. H2O interacts with iron giving atomic hydrogen (H). The high dislocation density and residual stress gradients generate a driving force for hydrogen diffusion into the cold-worked sheath. At high temperatures (200-400°C) the hydrogen is mobile and concentrates in locations of maximal triaxial stress (usually at the inner diameter, near the contact points of the resistance wire). If the local concentration of hydrogen surpasses a critical threshold (estimated >10-20 ppm), o material é fragilizado pelo hidrogênio e racha nucleado na superfície interna e cresce para fora. A fissuração ocorre no ciclo de aquecimento inicial, em alguns casos antes de o aquecedor atingir a temperatura nominal.

Quantificando a relação entre redução de estampagem, tensão residual e incidência de trincas

Testes de laboratório controlados em bainhas 316L (DE 10 mm, parede final de 1,5 mm) com diferentes reduções de estampagem (DE inicial da tubulação variando 12-14 mm), medição de tensão residual (difração de raios X-) e aquecimento do primeiro ciclo a 400 graus em atmosfera controlada levaram aos seguintes limites de fissuração.

Redução de estampagem (%) Espessura final da parede (mm) Tensão residual do aro no DI (MPa) Tensão residual como % do rendimento (206 MPa)Incidência de fissuras por hidrogênio % Faixa de temperatura de fissuras no primeiro ciclo (graus) Recomendado para serviços que exigem primeiro-Integridade térmica<12 >1.8 50-100 24-48% 0%Nenhum Sim
12-14 1.7-1.8 100-150 48-73% 0-5% 350-400 Sim 14-16 1.6-1.7 150-200 73-97% 5-15% 300-380 Marginal 16-18 1.5-1.6 200-250 97-121% 15-30% 250-350 Não recomendado 18-20 1.4-1.5 250-300 121-146% 30-60% 200-350 Não
20-22 1.3-1.4 300-350 146-170% 50-80% 200-300 No >22 <1.3 >350 >170% >80% 150-250 Não
Efeito do tipo de lubrificante e limpeza na geração de hidrogênio

A quantidade e o tipo de lubrificante deixado são importantes para a formação de hidrogênio e a ocorrência de rachaduras.

Tipo de lubrificante Temperatura de decomposição típica, grau Potencial de geração de hidrogênio, incidência de rachaduras (relativa), redução de 18% na estampagem, % de limpeza sugerida-após a estampagem
Nenhum (vácuo, estampagem a seco)N/A|Nenhum|0-5% |Melhor não relevante
Óleo mineral (leve) 250-350 Alto 40%-70% Assar a vácuo + desengordurante com solvente
Éster sintético 200 – 300 Muito alto 50-80% Lavagem alcalina + ultrassônico
Parafina clorada 150-250 Moderada (HCl também) 30-50% Limpeza especial (remoção de HCl)
Lubrificante à base de sabão 300-400 Baixo a moderado 15-30% Enxaguar em água quente e secar
Composto (solúvel em água) desenho 200-350 Moderado 20-40%Enxaguamento DI de alta pressão + cozimento
Recomendações práticas para o primeiro aquecimento sem fissuras

Os seguintes padrões de estampagem e limpeza são aplicáveis ​​a aquecedores encapsulados em 316L que necessitam de integridade no primeiro ciclo.

Nível de confiabilidade desejado Redução máxima na estampagem (%) Limpeza mínima após estampagemTensões residuais máximas Estampagem (MPa) Primeiro procedimento de aquecimento
Padrão (não-crítico) 16 Limpeza com solvente<200 Normal ramp (10-20°C/min)
Alta (imersão em água) 14 Solvente + cozimento a vácuo a 150 graus, 2h<150 Slow ramp (5°C/min to 300°C, hold 1h)
Crítico (sistemas pressurizados) 12 Desengorduramento ultrassônico + cozimento a vácuo 200 graus, 4h 100 Rampa muito lenta (2 graus/min) + pausas intermediárias
Muito importante (nuclear, médica) 10 (ou recozido após estampagem) Recozimento completo da solução após estampagem<30 (annealed)Ramp as always
Avaliação de risco de cracking de primeiro ciclo

Existem três abordagens de verificação para compradores que desejam a confirmação do primeiro-ciclo de craqueamento do hidrogênio. 1. cozimento de hidrogênio-: enxágue e limpe o aquecedor e, em seguida, aqueça a 250 graus por 4-6 horas em vácuo ou argônio seco para liberar o gás do hidrogênio da bainha. A segunda é a medição da tensão residual por difração de raios X no aquecedor acabado (se acessível, antes do enchimento com MgO). Aceitação: estresse do arco<150-200 MPa. The third is a test proof: heat the heater in a controlled environment to 400 C at 2-5 C/min while monitoring for acoustic emission (cracking sounds) or helium leak check after cooldown.

Identificação do primeiro ciclo do campo de craqueamento de hidrogênio

Se um aquecedor falhar durante o aquecimento inicial (sem manutenção anterior), as rachaduras induzidas-pelo hidrogênio resultarão em rachaduras longitudinais na bainha, muitas vezes retas, sem corrosão, escamação ou outra corrosão. A superfície de fratura pode exibir características intergranulares ou quase{2}}de clivagem com ondulações finas. Você verá sinais de restos de lubrificante (depósitos marrons e carbonáceos) no diâmetro interno próximo à rachadura. A solução é exigir uma limpeza pós{5}}estampagem mais rigorosa e um ciclo de cozimento com hidrogênio-antes da montagem final ou minimizar a redução da estampagem para<12-14%.

Conclusão: O controle da redução de resíduos e de resíduos de lubrificante é necessário para evitar rachaduras no primeiro-ciclo

Delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle (150-350°C) of 316L stainless steel heater sheaths can be initiated by swaging reductions >16-18% in conjunction with residual stress >200-250 MPa e lubrificantes residuais do processo de estampagem. A incidência de fissuras foi de 15-60% com redução de 18-20% na área. Os engenheiros que especificam bainhas 316L devem limitar a redução da estampagem a 14-16% para aplicações críticas e exigir limpeza pós{16}}estampagem (desengraxamento com solvente + cozimento a vácuo a 200 graus por 4 horas) para remover lubrificantes residuais. Para maior confiabilidade, especifique um ciclo de cozimento com hidrogênio antes da montagem final. A abordagem apresentada aqui correlaciona a redução de estampagem, tensão residual e resíduos de lubrificante à incidência de craqueamento por hidrogênio no primeiro ciclo, permitindo que os clientes especifiquem técnicas de fabricação que evitariam falhas catastróficas no primeiro calor das bainhas do aquecedor 316L trabalhadas a frio.