Qual a profundidade máxima permitida das marcas de retificação da superfície após o acabamento sem centro da tubulação do aquecedor 316 evita o início de rachaduras por corrosão sob tensão em 500 ppm de água clorada a 90 graus

O arranhão superficial como local de concentração de tensões para iniciação do CEC

O limite para o início da corrosão sob tensão (SCC) em ambientes de cloreto para tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 que foram retificados sem centro ou polidos mecanicamente como a operação de acabamento final para obter tolerâncias de diâmetro restritas ou superfícies lisas é diretamente controlado pela profundidade das marcas de retificação residuais, normalmente 5-50 µm, dependendo do tamanho do grão abrasivo e da taxa de alimentação. Cada marca de retificação é um concentrador de tensão geométrica, com um fator teórico de concentração de tensão (K_t) variando de 1,5 para uma marca suave e rasa (profundidade<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, raio da raiz<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mecanismo de iniciação de SCC em entalhes de superfície

316 a corrosão sob tensão em cloretos quentes requer três condições: uma microestrutura suscetível (geralmente algum trabalho a frio), uma tensão de tração prolongada e um ambiente agressivo de cloreto. Na base de uma marca de retificação de superfície, a tensão de tração local é dada por $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ onde $K_{t}$ é uma função da geometria da marca (proporção entre profundidade e raio). Uma marca de retificação típica com profundidade d e raio raiz ρ fornece K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Um dente raso e arredondado (d=5 µm, ρ=10 µm) produz K_t≈1+2×sqrt(0,5)=2.4. Para uma marca profunda e nítida (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m), estimamos $K_t\\approx 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Para uma tensão residual aplicada de 100 MPa, a tensão local é de 240-730 MPa - acima do limite de escoamento de 205 MPa e bem na área onde o SCC ocorre rapidamente. Uma trinca começa na concentração de tensão e avança através da dissolução anódica na ponta da trinca, impulsionada pela tensão aplicada até que a parede da bainha seja perfurada.

Relação quantitativa entre a profundidade da marca de retificação e o início do SCC

Testes controlados de SCC (carga contínua, amostras de curvatura em U ou anel em C) de tubos 316 com marcas de retificação de superfície de profundidade controlada (obtidas alterando o grão abrasivo e a taxa de alimentação) em água com cloreto de 500 ppm a 90 graus estabeleceram as profundidades essenciais para o início do SCC dentro de períodos de tempo específicos.

Profundidade máxima da marca de retificação (µm) Rugosidade típica da superfície (Ra, µm) Raio da raiz da marca (µm, típico) Fator de concentração de tensão (K_t) Tempo para início do SCC (horas, 500 ppm Cl-, 90 graus, tensão residual de 100 MPa) Tempo para perfuração (parede de 1,5 mm após o início) Recomendado para 500 ppm Cl-, 90 graus Serviço<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30.000 Sim (equivalente eletropolido)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10.000-20,000 15.000-25.000 Sim 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5.000-10,000 8.000-15.000 Aceitável 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4.000-8.000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1.000-2,500 2.000-4.000 Não recomendado
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1.000-2.000 Não aceitável
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
A influência do nível de tensão residual na profundidade de marca permitida

A profundidade permitida das marcas de retificação varia muito com a tensão de tração residual da bainha. Tensão residual mais alta necessita de marcações mais rasas para evitar SCC. A profundidade máxima permitida da marca para muitos níveis de tensão residual, 500 ppm Cl⁻, 90 graus é apresentada na tabela abaixo.

Tensão de tração residual (MPa) Profundidade máxima permitida da marca de retificação por 10.000-horas Vida livre de SCC (µm) Rugosidade superficial necessária (Ra, µm) Método de acabamento recomendado<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (desenho)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (desenho moderado)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (como-dobrado, sem alívio de estresse)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Serviço prático de especificações de acabamento com cloreto

Os seguintes critérios de acabamento superficial são recomendados para aquecedores revestidos 316 para serviço em água clorada acima de 200 ppm em temperaturas acima de 80 graus com base no estado de tensão residual estimado.

Método de processamento final Profundidade máxima da marca de retificação Método de verificação Ra máximo Estado de tensão residual
Tensão aliviada (recozida após a conformação)Retificação sem centro, grão 400-60010 µm 0,5 µmVisual + perfilômetro 50×
Como estirado ou dobrado (sem alívio de tensão) Rectificação fina + polimento suave 5 µm 0,3 µm Perfilômetro
Cloretos elevados Conforme desenhado Como eletropolido dobrado (remover 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Qualquer, para serviços críticosElectropolish + passivação0 (marcas totalmente removidas)<0.1 µmComplete surface inspection
Identificação de campo do SCC induzido pela marca de retificação

Para aquecedores que falharam por SCC em serviço com cloreto, a superfície de fratura deve ser investigada para determinar o local de origem da fratura. Sob ampliação (100-500×), o ponto de origem da fissura coincidirá frequentemente com uma marca de esmerilhamento ou arranhão. A marca será vista como uma ranhura bem definida, frequentemente com produtos de corrosão preferencialmente recolhidos na ranhura. As trincas do SCC se propagam normalmente à direção da marca de retificação (se as marcas forem circunferenciais, as trincas serão axiais, e se as marcas forem axiais, as trincas serão geralmente circunferenciais, mas poderão seguir a marca). Se houver marcas de moagem e o ambiente de serviço tiver cloretos superiores a 200 ppm e temperaturas superiores a 80 graus, deve-se suspeitar de SCC devido a marcas de moagem. A resposta é exigir superfícies eletropolidas ou polidas finamente para compras futuras e retirar os aquecedores atuais ou polir a superfície do revestimento no lugar, se acessível (raramente praticável).

Conclusão: Limites da profundidade da marca de retificação para serviço com cloreto

Grinding markings >10-12 µm fornecem concentradores de tensão e reduzem o tempo de iniciação do SCC para aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 em água com cloreto de 500 ppm a 90 graus, de 20000+ horas para 2.000-5.000 horas. O SCC começa em 500-1000 horas sob os níveis normais de tensão residual em profundidades superiores a 20 µm. Para serviço com cloreto, os engenheiros que selecionam 316 bainhas devem especificar uma profundidade máxima das marcas de retificação (por exemplo, menor ou igual a 8 µm) ou equivalentemente uma rugosidade superficial máxima (por exemplo, Ra menor ou igual a 0,5 µm) e solicitar verificação por perfilometria. Para as condições de cloreto mais hostis ou onde as tensões residuais não podem ser minimizadas, o eletropolimento para remover a camada superficial arranhada e trabalhada a frio remove completamente os concentradores de tensão associados às marcas de retificação. A abordagem proposta aqui relaciona a profundidade da marca de retificação com os tempos mensuráveis ​​de início do SCC, permitindo ao comprador especificar técnicas de acabamento superficial que evitam o início prematuro de trincas em defeitos superficiais.