ความหนาของผนังปลอกสแตนเลส 316 มีอิทธิพลต่อการกระจายความเค้นตกค้างหลังการ Swaging และผลกระทบต่ออายุความล้าจากการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเลอย่างไร

ความล้าจากการกัดกร่อนเป็นกลไกความล้มเหลวที่รุนแรงเป็นพิเศษสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไฟฟ้าที่ระบุโดยวิศวกรทางทะเลสำหรับแพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง ระบบบนเรือ และโรงงานอุตสาหกรรมชายฝั่ง เมื่อภาระทางกลแบบไซคลิกและการกัดกร่อนของคลอไรด์รวมกัน ความล้าจากการกัดกร่อนทำให้เกิดการแตกร้าวที่แอมพลิจูดของความเค้นต่ำกว่ามากและอายุการใช้งานของวงจรสั้นกว่าความล้าในอากาศหรือการกัดกร่อนล้วนๆ ในการตั้งค่าคงที่ ความเค้นตกค้างที่เกิดจากการแกว่ง (ซึ่งบีบอัดฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์รอบ ๆ ลวดต้านทาน) ทำปฏิกิริยากับแรงเค้นบริการและเร่งหรือชะลอการแตกหัก ขึ้นอยู่กับสัญญาณและขนาด บทความนี้จะกล่าวถึงผลกระทบของความหนาของผนังเปลือกต่อการกระจายตัวของความเค้นตกค้างหลังการแกว่ง และผลกระทบของความเค้นตกค้างเหล่านี้ต่ออายุความเมื่อยล้าจากการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเล

การสร้างความเครียดตกค้างในการรื้อปลอก 316 อัน
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The size of these residual strains is dependent on wall thickness and diameter reduction. For a thin walled sheath--below 1.0 mm--the swage force penetrates almost the whole wall thickness. The resulting strong compressive stresses at the outer surface (-200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (+50 to +100 MPa) are obtained. The swaging force is taken mostly by the outside layers of the thick-walled sheath (>1.8 มม.) ซึ่งทำให้เกิดความเค้นอัดที่รุนแรงใกล้กับพื้นผิวด้านนอกเท่านั้น โดยปล่อยให้ชั้นในส่วนใหญ่ไม่ถูกแตะต้อง ความเค้นดึงที่พื้นผิวด้านในก็ลดลงเช่นเดียวกัน เนื่องจากการบดอัด MgO ที่สมบูรณ์น้อยกว่าตามที่ระบุไว้ใน Article 12 ลิงก์นี้ได้รับการยืนยันโดยการวัดการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์-ของความเค้นตกค้างในปลอก 316 แบบ swaged สำหรับเปลือกผนัง 0.9 มม. ความเค้นอัดที่พื้นผิวคือ -280 MPa เปลือกผนัง 1.5 มม. คือ -180 MPa เปลือกผนัง 2.0 มม. แสดง -120 MPa เท่านั้น เปลือกที่บางกว่าจะกักเก็บความเค้นอัดที่ได้เปรียบมากกว่าที่พื้นผิวด้านนอก ซึ่งเป็นบริเวณที่เริ่มเกิดการแตกหักเมื่อยล้าจากการกัดกร่อน

ผลของความเค้นอัดตกค้างต่อการเกิดรอยแตกร้าวจากความล้าจากการกัดกร่อน
ความเค้นดึงแบบไซคลิกและอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่มีคลอไรด์ทำให้เกิดการกัดกร่อนจากการแตกหักจากการกัดกร่อนเริ่มต้นในสแตนเลส 316 รอยแตกร้าวเริ่มต้นที่หลุมบนพื้นผิวหรือรอยรวมซึ่งการเคลือบป้องกันแบบพาสซีฟล้มเหลว หากมีสถานะความเค้นอัดตกค้างบนพื้นผิว แรงดึงแบบไซคลิกจะต้องเอาชนะแรงอัดนี้เพื่อสร้างแรงตึงสุทธิที่ปลายรอยแตกร้าว สิ่งนี้จะเพิ่มความเครียดตามเกณฑ์สำหรับการโจมตีของรอยแตกอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับปลอก 0.9 มม. 316 ที่มีแรงอัดตกค้างที่พื้นผิว -280 MPa ความเค้นแบบไซคลิกที่ใช้ที่ +200 MPa ส่งผลให้มีสุทธิเพียง -80 MPa ที่พื้นผิว โดยยังคงมีแรงอัดและไม่สามารถทำให้เกิดรอยแตกเมื่อยล้าได้ เฉพาะความเค้นแบบวงจรที่เกิน + 280 MPa เท่านั้นที่สร้างแรงตึงสุทธิบนพื้นผิว ในการเปรียบเทียบ ปลอกขนาด 2.0 มม. ที่มีการบีบอัดพื้นผิวเพียง -120 MPa จะมีแรงตึงสุทธิเมื่อความเค้นที่ใช้มากกว่า +120 MPa ซึ่งเป็นเกณฑ์ที่ต่ำกว่ามาก การทดสอบความล้าจากการกัดกร่อนในน้ำทะเลสังเคราะห์ที่ 60 องศาช่วยยืนยันผลกระทบนี้ ตัวอย่างที่มีความหนาของผนัง 0.9 มม. และแรงอัดที่เหลือจำนวนมากสามารถดำเนินการได้ 10 ล้านรอบที่ 250 MPa โดยใช้ความเค้นสลับโดยไม่มีการแคร็กสตาร์ท ที่โหลดที่ใช้เท่ากัน ตัวอย่างที่มีแรงอัดตกค้างเพียงเล็กน้อยและความหนาของผนัง 2.0 มม. จะล้มเหลวหลังจาก 2 ล้านรอบ เปลือกที่บางกว่าทำให้อายุความล้าจากการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นห้าเท่า แม้ว่าความหนาของผนังสัมบูรณ์จะลดลงก็ตาม

แลกเปลี่ยน-ระหว่างผลประโยชน์จากความเครียดที่เหลือกับส่วนต่างความหนาของผนัง
เปลือกหุ้มผนังบาง-มีข้อได้เปรียบในเรื่องความล้าจากการกัดกร่อน แต่จะต้องสมดุลกับขอบวัสดุด้านล่างหากเกิดรอยแตกร้าว ปลอกขนาด 0.9 มม. ที่มีการบีบอัดตกค้างจำนวนมาก อาจทนต่อการแตกร้าวได้หลายล้านรอบ อย่างไรก็ตาม เมื่อรอยแตกร้าวเอาชนะสนามความเค้นตกค้าง เช่น เนื่องจากมีหลุมบนพื้นผิวขนาดใหญ่หรือมีการรับน้ำหนักเกินช่วงสั้นๆ รอยแตกนั้นจะต้องแพร่กระจายผ่านวัสดุที่มีความหนา 0.9 มม. เท่านั้นจึงจะทำให้เกิดการเจาะ ปลอกขนาด 2.0 มม. ที่มีแรงอัดตกค้างน้อยกว่าอาจเริ่มการแตกร้าวในรอบที่น้อยลง แต่การแตกร้าวจะต้องขยายออกไป 2.0 มม. จึงจะทำให้เกิดความล้มเหลว อายุรวมจนถึงความล้มเหลวคือผลรวมของชีวิตเริ่มต้นและอายุการขยายพันธุ์ ผลการทดสอบความล้าของการกัดกร่อนของลำแสงหมุนในน้ำทะเลอุณหภูมิ 60C ใช้เพื่อแสดงให้เห็นถึงวงจรรวมจนถึงความล้มเหลวสำหรับปลอก OD 316 ขนาด 10 มม. ที่แรงเค้นสลับ 200 MPa ปลอกขนาด 0.8 มม. มีทั้งหมด 12 ล้านรอบ (การเริ่มต้น 11.5 ล้านรอบ, การขยายพันธุ์ 0.5 ล้านรอบ) ปลอก 1.2 มม. สำเร็จ 8 ล้านรอบ (1 ล้านการแพร่กระจาย 7 ล้านการเริ่มต้น). 5 ล้านรอบ (3 ล้านการเริ่มต้น 2 ล้านการขยายพันธุ์) สำหรับปลอก 1.6 มม. ปลอกขนาด 2.0 มม. อยู่รอดได้ 3.5 ล้านรอบ (การเริ่มต้น 1.5 ล้านครั้ง การขยายพันธุ์ 2 ล้านครั้ง) อัตราการขยายพันธุ์มีขนาดเล็ก แต่การบีบอัดที่เหลืออย่างมากของฝักที่มีผนังบาง-ส่งผลให้อายุการใช้งานโดยรวมยาวนานขึ้น

เมทริกซ์การเลือกชีวิตความเหนื่อยล้าการกัดกร่อนของสิ่งแวดล้อมทางทะเล
ตารางต่อไปนี้แสดงความหนาของผนังปลอก 316 ที่แนะนำสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไฟฟ้าในการให้บริการทางทะเล ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดความเค้นแบบไซคลิกโดยประมาณและอายุการใช้งานที่จำเป็น ค่านี้ใช้สำหรับการสัมผัสน้ำทะเลหรือน้ำกร่อยอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 30–60 องศา และสำหรับเทคนิคการหว่านตามปกติโดยไม่ต้อง-อบอ่อนหลังการหว่าน

ความเค้นแบบวงจรที่คาดหวัง แอมพลิจูด อายุการใช้งานที่ต้องการ ความหนาของผนังเปลือก 316 ที่แนะนำ เหตุผลในการออกแบบโหมดความล้มเหลวที่โดดเด่น
ต่ำ (< 50 MPa) > 10 years 1.2 – 1.6 mm Crevice corrosion Residual stress benefit less essential. Corrosion allowance drives thickness
ปานกลาง (50 – 150 MPa) 5 – 10 ปี 1.0 – 1.2 มม. การกัดกร่อน เริ่มต้นจากการกัดกร่อน ผนังบางสำหรับการบีบอัดที่ตกค้างสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าว
ปานกลาง (50 – 150 MPa) > 10 ปี 1.4 – 1.6 มม. พร้อมการอบอ่อนแบบโพสต์- การขยายพันธุ์หลังการเริ่มต้น การหลอมจะช่วยลดประโยชน์จากความเครียดที่ตกค้าง อาศัยระยะขอบความหนา
สูง (150 – 250 MPa) 3 – 5 ปี 0.8 – 1.0 มม. การเริ่มต้นของความล้าจากการกัดกร่อน ต้องมีการบีบอัดตกค้างสูงสุด อายุการใช้งานลดลงเป็นที่ยอมรับ
สูง (150 – 250 MPa) > 5 ปี ใช้ไม่ได้กับ 316L โหลดเกินหรือแตกเร็ว อัปเกรดเป็น Incoloy 825 หรือไทเทเนียม
ตัวแปรที่มีการโอเวอร์โหลดบ่อยครั้งการแพร่กระจายใดๆ 1.6 – 2.0 มม. หลังจากการแตกร้าวที่ไม่คาดคิด ขอบความหนาช่วยป้องกันเหตุการณ์สุ่ม
ในการใช้งานที่ความเค้นแบบวงจรถูกชักนำโดยการสั่นสะเทือน การหมุนเวียนของการขยายตัวเนื่องจากความร้อน หรือการเปลี่ยนแปลงความดัน สิ่งสำคัญคือต้องสามารถวัดหรือประมาณค่าแอมพลิจูดของความเครียดได้ ในกรณีที่ไม่มีการวัด ระดับความเครียดปานกลางที่ 100 MPa ถือเป็นค่าเริ่มต้นที่รอบคอบ ในกรณีเหล่านี้ ความหนาของผนัง 1.2 มม. ให้การประนีประนอมที่เหมาะสมที่สุดระหว่างข้อดีของความเค้นตกค้างและระยะขอบสำหรับการแพร่กระจาย วิศวกรควรพิจารณาแนะนำการอบอ่อนหลัง-แบบ Swage สำหรับปลอกที่มีผนังหนา-ซึ่งใช้ในการใช้งานรอบสูง- การหลอมที่ 1,050 องศาจะขจัดความเค้นตกค้างได้อย่างสมบูรณ์ และทำให้ผนังบางได้รับประโยชน์จากความล้าจากการกัดกร่อน แต่ยังรวมถึงความเค้นตกค้างแรงดึงที่พื้นผิวด้านในซึ่งอาจนำไปสู่การแพร่กระจายของการแตกหัก ปลอกหุ้มอบอ่อน 1.6 มม. มีอายุการใช้งานความล้าโดยรวมใกล้เคียงกับปลอกที่ไม่อบอ่อน 1.2 มม. - ซึ่งเป็นทางเลือกอื่นเพื่อให้มีอายุการใช้งานยาวนานโดยไม่ต้องพึ่งผนังบาง ความสามารถในการผลิตและต้นทุนเป็นหน้าที่ของผนังแคบที่มีความเค้นตกค้างสูงหรือผนังหนาที่มีการอบอ่อน สำหรับการใช้งานทางทะเลส่วนใหญ่ที่มีการสั่นสะเทือนแต่ไม่รุนแรง ความหนาของผนัง 1.2-1.4 มม. พร้อมการเซาะตามปกติจะให้ประสิทธิภาพความล้าจากการกัดกร่อนที่เชื่อถือได้โดยไม่ต้องดำเนินการเพิ่มเติม