Sob qual valor específico de tensão residual de tração a bainha do aquecedor de aço inoxidável 316 faz a transição de passiva para iniciação de trinca em água com cloreto de 500 ppm em serviço ambiente de 25 graus

Tensão limite para SCC de cloreto à temperatura ambiente

No caso de tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 em água contendo cloreto em temperatura ambiente (25 graus) em aplicações como tanques de armazenamento não aquecidos, sistemas de circulação de água fria ou equipamentos sazonais, o risco de fissuração por corrosão sob tensão de cloreto (SCC) é geralmente considerado baixo, já que o SCC de aços inoxidáveis ​​austeníticos geralmente requer acima de 60 graus. No entanto, falhas de campo subsequentes e experimentos de laboratório mostraram que o 316 pode rachar a 25 graus em água clorada de 500 ppm na presença de tensão residual de tração adequada, mas a tensão limite é muito maior do que em temperaturas elevadas. O parâmetro principal é a tensão de tração residual da fabricação (desenho, dobra, endireitamento) mais qualquer tensão adicional. A 25°C, a fissuração não é observada abaixo de uma tensão limite da ordem de 80-90% da resistência ao escoamento do material (165-185 MPa para o recozido 316 com 205 MPa de tensão de escoamento). Se a tensão exceder este nível, as fissuras desenvolvem-se após longos períodos de indução (6 meses a 2 anos) e crescem lentamente, com a falha ocorrendo após 2-5 anos. Este artigo fornece o limite de SCC à temperatura ambiente de 316 bainhas em 500 ppm de água clorada.

O mecanismo de SCC-de baixa temperatura

Três condições são necessárias para o CAA do aço inoxidável 316 em cloreto: uma microestrutura suscetível (normalmente contendo algum trabalho a frio), uma tensão de tração sustentada e íons cloreto. Em altas temperaturas (80-150 graus), o SCC é devido ao rápido transporte de cloreto, taxas de repassivação lentas e química agressiva na ponta da trinca. A 25 graus a energia de ativação do SCC não é zero, mas a cinética é significativamente mais lenta. A principal diferença é que o limiar de tensão para fissuração aumenta consideravelmente à medida que a temperatura diminui. Isto se deve ao aumento da taxa de deformação crítica da ponta da fratura para dissolução ativa, que requer tensões aplicadas mais altas. O 316 recozido a 25C em 500 ppm Cl- tem uma tensão limite de cerca de 165-185 MPa (rendimento de 80-90%). O 316 trabalhado a frio tem limite de tensão mais baixo, pois o material tem maior resistência ao escoamento, mas também aumenta a densidade de deslocamento e possivelmente alguma martensita que atua como locais de iniciação de trincas.

Limites determinados de cloreto de 25 graus e 500 ppm para SCC

As seguintes relações de limite foram estabelecidas a partir de testes de carga constante de aço inoxidável 316 (amostras de curvatura em U e anel em C) em 500 ppm de água clorada (pH 7,0, aerada) a 25 graus por até 24 meses (17.520 horas).

Condição do material Resistência ao escoamento (deslocamento de 0,2%, MPa)25 graus Limite de tensão SCC em 500 ppm Cl- (MPa)Limite como% do tempo de rendimento até o início da rachadura no limite +10% (horas)Classificação de risco SCC - 25 graus
Totalmente recozido (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10.000Extremamente baixo
Trabalho leve a frio (10-15%) 280 200-230 70-80% 5.000-10.000 Baixo
Trabalho a frio moderado (15-20%) 350 230-260 65-75% 2.000-5.000 Moderado
Trabalho frio pesado (20-25%) 420 250-280 60-70% 1.000-2.000 Alto
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90% 500-2.000 (depende do estresse excessivo) Alto
Limite de temperatura ambiente em função da concentração de cloreto

A tensão limite é reduzida com o aumento do teor de cloreto. A tensão limite para 316 recozido a 25 graus em função do teor de cloreto é fornecida na tabela a seguir.

Concentração de cloreto (ppm) Tensão limite para SCC a 25 graus (MPa, recozido 316) Tempo para início da trinca no limite +10% (horas) Limite de projeto recomendado<100 >205 (no cracking at yield) >50.000 (sem perigo)Ilimitado
100-200 190-205 20.000-50.000 Risco muito baixo.
200-500 175-190 10.000-20.000 Aceitável com gerenciamento de estresse residual
500-1000 160-175 5000-10000 Estresse residual<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Limites práticos de tensões residuais para serviços de água fria

Os limites máximos de tensão residual são fornecidos para 316 aquecedores revestidos em água contendo cloreto - (200 - 1.000 ppm) à temperatura ambiente (25 graus).

Concentração de cloreto (ppm) Tensão residual máxima (MPa) para 10-anos de vida Limite equivalente de trabalho a frioTratamento pós-formação recomendado<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Detecção de campo de SCC em temperatura ambiente

Para um aquecedor 316 falhando em um serviço de cloreto de 25 graus (200-1.000 ppm Cl-), rachaduras no SCC normalmente se desenvolverão após 1-3 anos de uso contínuo ou intermitente. As fraturas são transgranulares (através dos grãos) e ramificadas, como o CEC de alta temperatura, mas geralmente são mais curtas e menos extensas. A superfície de fratura pode apresentar indicações de propagação gradual de trincas (marcações de praia) e pouco produto de corrosão. Muitas vezes a origem está em um local de tensão residual significativa: o raio externo de uma curva, uma seção estirada a frio com redução substancial ou uma zona afetada pelo calor da solda. Quando uma seção rompida é medida quanto à tensão residual por difração de raios X, os valores são geralmente superiores a 150-180 MPa. Para tais falhas, a resposta é exigir alívio de tensão pós-curvatura (400 graus por 1 hora) para compras futuras, diminuindo a tensão residual para menos de 100 MPa.

Caso especial: exposição intermitente versus exposição contínua

Exposição intermitente (ciclos de secagem) à temperatura ambiente, o teor de cloreto aumenta durante a secagem, levando à formação acelerada de SCC. A água a granel pode conter apenas 500 ppm de cloreto. No entanto, um aquecedor que pode secar periodicamente pode ter concentrações superficiais de cloreto de 5.000-10.000 ppm na linha d'água, diminuindo assim o limite de tensão. Para serviço intermitente a tensão residual admissível será metade daquela para imersão contínua.

Conclusão: Controle de Tensão Residual para Serviço de Cloreto Ambiental

Descobriu-se que o SCC em aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 em água com cloreto de 500 ppm a 25 graus ocorre quando a tensão residual de tração sustentada excede cerca de 165-185 MPa (80-90% do rendimento para material recozido). O limite para isso é alto, mas as tensões residuais locais do trabalho a frio (flexão, estiramento, etc.) podem ser superiores a 200-300 MPa, suficientes para causar fissuras à temperatura ambiente após 1-3 anos. Para operação em cloretos à temperatura ambiente, os engenheiros que selecionam 316 bainhas devem considerar o alívio de tensão pós-formação (400-450 graus, 1 hora) para reduzir a tensão residual quando o cloreto excede 500 ppm ou quando as curvas são mais apertadas do que R/D=3. Para níveis de cloreto acima de 1.000 ppm a 25 graus, sugere-se o recozimento completo da solução ou a atualização para duplex 2205. A abordagem aqui proposta vincula a tensão residual a limites mensuráveis ​​de SCC à temperatura ambiente, permitindo aos compradores encomendar 316 bainhas que resistem à fissuração por cloreto mesmo em serviço sem aquecimento.