Qual a tensão residual de tração de superfície máxima permitida do endireitamento do rolo da tubulação do aquecedor 316 evita rachaduras por corrosão sob tensão em 200 ppm de água clorada a 80 graus por 10 anos

O fator-de SCC de longo prazo: o estresse residual causado pelo alisamento

Para tubos de aquecimento elétrico revestidos em aço inoxidável 316 que são produzidos após trefilação ou recozimento por endireitamento de rolo, a tensão residual de tração superficial que é introduzida pelo processo de endireitamento de rolo é frequentemente o fator mais importante que controla a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão (SCC) em serviço com cloreto quente. Dependendo da curvatura inicial do tubo, do deslocamento do rolo e do número de passagens de endireitamento, o endireitamento do rolo pode resultar em tensões de tração superficial de 50-250 MPa. A tensão limite de tração para início de SCC em 316 recozido em água com cloreto de 200 ppm a 80 graus é de cerca de 120-140 MPa (60-70% de rendimento). A tensão de tração residual máxima permitida na superfície para uma vida útil de 10 anos sem SCC é de 100 MPa. As fissuras começam em 1-3 anos acima de 120 MPa, meses acima de 150 MPa. A ligação entre a tensão residual induzida pelo endireitamento, o tempo de iniciação do SCC e a vida útil em condições de cloreto diluído é quantificada neste artigo.

Mecanismo de tensão superficial devido ao endireitamento

O endireitamento do rolo deforma plasticamente a superfície do tubo em tensão e compressão alternadas para eliminar a curvatura. Em cada ponto de contato do rolo, as fibras externas do tubo são submetidas a tensões de tração geralmente de 0,2 a 1,5%, dependendo do grau de endireitamento. Para aço inoxidável 316 com limite de escoamento de cerca de 205 MPa (recozido) a 450 MPa (trabalhado-a frio), essas deformações produzem tensões residuais de 50 MPa (endireitamento suave de tubo reto) a 250 MPa (endireitamento pesado de tubo curvo). O perfil de tensões residuais é altamente localizado na superfície, com as maiores tensões nos 20-100 lm externos da parede. Esta camada fina e altamente deformada é adequada para iniciação de SCC porque as trincas nucleam perto da superfície e se propagam através do campo de tensão residual. Em contraste, as tensões residuais não reduzem consideravelmente com o tempo a 80 graus.

Correlação quantitativa entre tensão de alisamento e vida do SCC a 80 graus

Testes SCC sistemáticos (carga contínua, amostras de curvatura em U) de tubos 316 com níveis de tensão residual de superfície regulados (medidos por difração de raios X-) em água com cloreto de 200 ppm (pH 7,5, aerada) a 80 graus mostraram os seguintes tempos de iniciação e propagação.

Máx. Tensão residual de tração superficial do endireitamento (MPa) Tensão como% de rendimento (recozido 316, 205 MPa)Tempo para início da trinca SCC (horas, 80 graus, 200 ppm Cl-) Tempo para perfuração (parede de 1,5 mm, horas) Vida útil total (anos)Recomendado para serviço de 10 anos<50 <25% >80,000 >100,000 >11 anos Sim 50-75 25-37% 50.000-80,000 60.000-100.0007-11 anos Sim 75-100 37-49% 30.000-50,000 40.000-70,000 5-8 anos OK por 10 anos? Marginal 100-120 49-59% 15.000-30,000 20.000-45,000 2-5 anosNada (10 anos)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Influência da espessura da parede na tolerância às tensões residuais

Paredes mais espessas distribuem a tensão do endireitamento de maneira diferente e, portanto, possuem mais material para suportar o crescimento da fratura. A tabela abaixo indica a tensão residual máxima permitida para endireitamento durante 10 anos de vida em função da espessura da parede.

Espessura da parede (mm) Tensão residual máxima permitida do endireitamento para uma vida útil de 10 anos (MPa) Trabalho a frio máximo equivalente permitido do endireitamento (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Especificações práticas - Endireitamento após recozimento

Os seguintes parâmetros de endireitamento devem ser mencionados nos documentos de aquisição para aquecedores revestidos 316 para serviço com cloreto quente (80 graus, 200 ppm Cl⁻):

Condição do tubo antes do endireitamento Tensão residual superficial máxima após o endireitamento (MPa) Método de endireitamento Método de verificação
Difração de raios X-recozida 100% (sem estresse) na amostra Várias passagens, pequeno deslocamento do rolo
Trefilado a frio leve (10-15% CW) 80 Ferritescópio com deslocamento de rolo reduzido + XRD
60 Passagem única, pequeno deslocamento Moderadamente estirado-a frio (15-25% CW)Não adequado para serviço com cloro. .
Como-dobrado (não endireitado anteriormente) 80 (medido na seção reta)Endireitar apenas se necessário XRD obrigatório
Validação de tensão residual em tubos endireitados

Os compradores que desejam níveis de tensão residual certificados têm três técnicas de verificação. A primeira é a difração de raios X (XRD), que fornece medição direta da tensão residual da superfície com uma precisão de ±20 MPa. O segundo é o teste de curvatura em U-ASTM G38, no qual uma amostra do-tubo recebido é dobrada em 180 graus e depois imersa em cloreto de magnésio em ebulição (154 graus) ou, para condições mais comparáveis, em 200 ppm de cloreto a 80 graus. A fissuração ocorre dentro de 100 horas em MgCl 2 ou 2.000 horas na solução de{16} simulação de serviço quando a tensão residual está acima de 100–120 MPa. O terceiro método é a medição da permeabilidade magnética: a tensão residual induzida pelo endireitamento em 316 não está diretamente relacionada à permeabilidade, mas o desenvolvimento localizado de martensita em tensões máximas pode ser detectado. Para aplicações cruciais, a maior confiança é alcançada por medições de XRD em uma única amostra de cada lote de produção.

Diagnóstico de campo de SCC por alisamento

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150MPa. A solução para essas falhas é especificar, para compras futuras, um recozimento de alívio de tensão pós-endireitamento (400-450 graus por 1-2 horas) que minimizará a tensão residual em 50-70% sem alterar sensivelmente as qualidades mecânicas.

A inter-relação entre tensões residuais de endireitamento e flexão

Se um aquecedor for fabricado reto (antes de dobrar) e subsequentemente dobrado para a forma final, as deformações residuais de ambos os procedimentos podem contribuir. A tensão residual geral mais alta é frequentemente vista no raio de curvatura externo no lado que sofreu deformação de endireitamento. Para tais aquecedores, a tensão de endireitamento permitida deve ser ainda mais reduzida. Um critério conservador é que a soma da tensão residual de endireitamento e da tensão residual de flexão (medida no mesmo local) não deve ser maior que 100 MPa para 10-anos de vida em 200 ppm Cl- a 80 graus.

Conclusão: Especificação de baixa tensão de alisamento do serviço Chloride

O limite essencial para início do SCC para aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 em água com cloreto de 200 ppm a 80 graus é uma tensão residual de tração superficial de ~100-120 MPa. Para tensões de endireitamento superiores a 120 MPa o início da fratura ocorre após 1-3 anos e para deformações abaixo de 100 MPa é obtida uma vida útil de 10 anos. Para serviço com cloreto quente, os engenheiros que especificam bainhas 316 devem especificar o endireitamento da tubulação com deslocamento mínimo do rolo, verificando a tensão residual por XRD nos tubos de amostra e um recozimento de alívio de tensão após o endireitamento (400 graus por 1 hora) se o cloreto exceder 200 ppm ou a temperatura exceder 70 graus. A abordagem proposta aqui relaciona a tensão residual induzida pelo endireitamento com os tempos mensuráveis ​​de início do SCC e de perfuração, permitindo que os compradores especifiquem técnicas de fabricação para evitar essa fonte oculta, mas significativa, de risco de trincas.