การเลือกความหนาของผนังปลอกสแตนเลส 316 มีอิทธิพลต่อความเสี่ยงของการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ร้อนสูงกว่า 60 องศาเซลเซียสอย่างไร

ในกรณีของวิศวกรโรงงานเคมีและเจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงที่ระบุเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไฟฟ้าสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับสารละลายคลอไรด์ร้อน เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบระบายความร้อนด้วยน้ำทะเล- ถังเก็บความเข้มข้นของน้ำเกลือ และอุปกรณ์แปรรูปอาหารบางชนิด การแตกร้าวจากการกัดกร่อนโดยความเค้นถือเป็นโหมดความล้มเหลวที่แยกจากกันจากการกัดกร่อนแบบหลุมทั่วไปหรือการกัดกร่อนตามรอยแยก ซึ่งแตกต่างจากการทำให้ผนังบางเป็นเนื้อเดียวกัน การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นส่งผลให้เกิดรอยแตกตามแกรนูลหรือรอยแตกตามขอบเกรน ซึ่งสามารถเจาะปลอกสแตนเลส 316 ได้ภายในไม่กี่สัปดาห์หรือหลายเดือน โดยทั่วไปโดยไม่มีคำเตือนที่มองเห็นได้เล็กน้อย อิทธิพลซึ่งกันและกันของความเค้นดึงที่ใช้หรือตกค้าง ความเข้มข้นของคลอไรด์ อุณหภูมิ และความหนาของผนังจะตัดสินว่าเปลือกเฉพาะจะคงอยู่นานหลายปีหรือล้มเหลวอย่างหายนะ บทความนี้จะอธิบายผลกระทบของความหนาของผนังต่อความเสี่ยงของการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น โดยผลกระทบต่อขนาดของความเค้นตกค้างจากการผลิตและเวลาที่จำเป็นสำหรับการแพร่กระจายของรอยแตกผ่านผนัง

เงื่อนไขสำคัญสามประการสำหรับการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นในปลอก 316 อัน
การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นของสเตนเลสออสเทนนิติก เช่น 316 จำเป็นต้องมีสภาวะที่เกิดขึ้นพร้อมกัน 3 ประการ วัสดุที่ไวต่อแรงดึง ระดับวิกฤติของความเค้นดึง และสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยคลอไรด์ ที่อุณหภูมิโดยทั่วไปสูงกว่า 60 องศา . 316 จะอ่อนแอต่อการโจมตีน้อยกว่า 304 แต่ไม่มีภูมิคุ้มกัน ความเค้นดึงสามารถนำไปใช้ภายนอกผ่านแรงดันของระบบหรือการขยายตัวทางความร้อน หรืออาจเป็นความเค้นตกค้างจากขั้นตอนการผลิต เช่น การดัด การพัน และการเชื่อมของปลอก การดำเนินการตอกที่ใช้ในการควบแน่นฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์รอบๆ ลวดต้านทานในปลอกเครื่องทำความร้อนจะทำให้เกิดความเค้นดึงตามเส้นรอบวงที่เหลือขนาดใหญ่บนพื้นผิวด้านนอกของท่อ 316 ความเค้นตกค้างเหล่านี้อาจสูงได้เท่ากับความแข็งแรงครากของวัสดุ และเป็นปัจจัยผลักดันให้เกิดการแตกร้าวที่ความเค้นที่ใช้ต่ำ อัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นที่หลุมหรือข้อบกพร่องที่พื้นผิวหลังจากการเริ่มต้นคือ 0.1-10 มิลลิเมตรต่อเดือน ขึ้นอยู่กับปริมาณคลอไรด์และอุณหภูมิ การแพร่กระจายของรอยแตกร้าวดำเนินต่อไปจนกระทั่งความหนาของผนังที่เหลือไม่เพียงพอที่จะรับแรงกดภายในหรือรอยแตกทะลุผนังด้านในส่งผลให้ของเหลวในกระบวนการไหลเข้าไปและไฟฟ้าขัดข้อง

อิทธิพลของความหนาของผนังต่อการเริ่มต้นและการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว
ความหนาของผนังมีผลตรงกันข้ามกับความเสี่ยงของการกัดกร่อนจากความเค้นแตกร้าวสองประการ ประการแรก ผนังที่บางกว่ามีแนวโน้มที่จะมีความเค้นตกค้างสูงกว่าสำหรับการลด swaging เท่าเดิม เนื่องจากงานเย็นขยายออกไปถึงหน้าตัดของผนัง เปลือก 0.8 มม. อาจมีความเค้นตกค้างที่พื้นผิว 400–500 MPa หลังจากการตอก แต่เปลือก 2.0 มม. ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเท่ากันอาจมีความเค้นตกค้างเพียง 200–300 MPa เนื่องจากผลกระทบจากการทำงานเย็นถูกจำกัดไว้ที่ชั้นพื้นผิวที่ตื้นกว่าเมื่อเทียบกับความหนาโดยรวม ความเค้นตกค้างที่สูงขึ้นจะช่วยลดเวลาในการเกิดรอยแตกร้าว ประการที่สอง เวลาในการเจาะตามอัตราการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความหนาของผนังที่เหลือเมื่อรอยแตกเริ่มต้น. 4 เดือนเพื่อเจาะเปลือก 2.0 มม. แต่การแตกหักที่แพร่กระจายที่ 0.5 มม./เดือนจะแทรกซึมเข้าไปในเปลือก 0.8 มม. ใน 1.6 เดือน ผลกระทบสุทธิคือโปรไฟล์ความเสี่ยงที่ไม่ใช่-ซ้ำซาก เปลือกบางมาก (<1.0 mm) develop cracks quickly yet have little material to penetrate. Very thick sheaths (above 2.0 mm) break more slowly, but take longer to perforate. Intermediate thicknesses 1.2–1.6 mm are the highest risk category, because they start at moderate rates, but have enough wall thickness to conceal developing cracks for a long time before abrupt failure.

อุณหภูมิเปลือก 316 และเกณฑ์ความเข้มข้นของคลอไรด์
316 stainless steel is not susceptible to stress corrosion cracking in chloride solutions below 60°C. Cracking will only occur in concentrated chlorides >1,000 ppm และแรงดึงที่แข็งแกร่งระหว่าง 60 องศาถึง 80 องศา ที่ระดับคลอไรด์ปานกลาง 100-500 ppm ความเสี่ยงจะรุนแรงระหว่าง 80 องศาถึง 120 องศา . 316 ไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมคลอไรด์ใดๆ ที่มีความเค้นดึง โดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนัง ที่อุณหภูมิสูงกว่า 120 องศา ในช่วงอุณหภูมิที่มีความเสี่ยงสูงเหล่านี้ซึ่งใช้ปลอกทำความร้อน การตอบสนองทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติคือการลดความเข้มข้นของคลอไรด์ให้ต่ำกว่า 10 ppm หรือเพื่อขจัดความเค้นดึงโดยการอบอ่อนทั้งหมดหลังการผลิต หรืออัพเกรดเป็นโลหะผสมที่มีความทนทานมากขึ้น เช่น Incoloy 825 หรือไทเทเนียม คำแนะนำสำหรับความหนาของผนัง 316 เปลือกในการให้บริการคลอไรด์มีดังนี้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของคลอไรด์ โดยสมมติว่าไม่สามารถกำจัดความเครียดที่ตกค้างจากการพันได้:

อุณหภูมิในการทำงาน ความเข้มข้นของคลอไรด์ที่แนะนำ ขั้นต่ำ 316 ความหนาของผนังเปลือก อายุการใช้งานที่คาดหวัง ก่อนความเสี่ยงต่อความเครียด การกัดกร่อน การแตกร้าว คำแนะนำทางเลือก
60–80 องศา < 100 ppm 1.2 มม. ความเสี่ยงต่ำ > 5 ปี 316 ยอมรับได้ 60–80 องศา 100–1,000 ppm 1.6 มม. ความเสี่ยงปานกลาง 2–4 ปี ตรวจสอบทุกปี 60–80 องศา > 1,000 ppm 2.0 มม. ความเสี่ยงสูง 1–2 ปี พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม
80 - 100 องศา < 100 ppm 1.6 มม. ความเสี่ยงปานกลาง, 2 - 3 ปีการอัพเกรดอัลลอยด์ 80-100 องศา 100-500 ppm 2.0 มม. ความเสี่ยงสูง, 1-2 ปี การอัพเกรดโลหะผสมที่แนะนำ
80-100oC > 500ppmไม่แนะนำ<1 yearUse titanium or Incoloy 825;
Clไม่แนะนำที่วัดได้ 100-120 องศา มีโอกาสเกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว การอัพเกรดโลหะผสมบังคับ 120 องศา คลอไรด์ใดๆ ไม่เหมาะสม ความล้มเหลวที่จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เปลี่ยนข้อกำหนดของวัสดุ
การเปลี่ยนแปลงการออกแบบเพื่อลดความเสี่ยงต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น โดยไม่ต้องเพิ่มความหนาของผนัง
วิศวกรควรพิจารณาการปรับเปลี่ยนการออกแบบสามประการเพื่อลดองค์ประกอบความเค้นดึงของสมการการแตกร้าวของการกัดกร่อนจากความเค้น ก่อนที่จะยอมรับต้นทุนความร้อนของผนังที่หนาขึ้น สิ่งแรกและสำคัญที่สุดคือการหลอมชุดประกอบเครื่องทำความร้อนที่เสร็จแล้วทั้งหมดหลังจากขั้นตอนการตอกและการดัดงอทั้งหมด การหลอมที่อุณหภูมิ 1,050 องศาตามด้วยการทำความเย็นอย่างรวดเร็วจะช่วยลดแรงตึงที่ตกค้างได้ประมาณ 80-90% โดยมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อความต้านทานการกัดกร่อน การแลกเปลี่ยน-รวมถึงความเป็นไปได้ในการเกิดออกซิเดชันของลวดต้านทานภายในและต้นทุนการผลิตเพิ่มเติม การเปลี่ยนแปลงครั้งที่ 2 คือคำจำกัดความของกระบวนการกระจายความเครียด-ตกค้าง-ต่ำ แสงที่ส่องผ่านหลายครั้งพร้อมการบรรเทาความเครียดระดับกลางส่งผลให้มีความเครียดตกค้างน้อยกว่าการลดลงอย่างมากเพียงครั้งเดียว ผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนที่มีความน่าเชื่อถือสูงโดยทั่วไปสามารถบรรลุความเค้นตกค้างที่พื้นผิวต่ำกว่า 150 MPa แม้ในเปลือกผนัง 1.2 มม. การปรับเปลี่ยนประการที่สามคือการออกแบบระบบเพื่อลดความเค้นดึงที่กำหนดให้เหลือน้อยที่สุด การออกแบบสำหรับแรงดันของระบบต่ำ การเชื่อมต่อไฟฟ้าที่ยืดหยุ่น และหลีกเลี่ยงการติดตั้งที่ไม่ยืดหยุ่นซึ่งป้องกันการขยายตัวจากความร้อน ทั้งหมดนี้ช่วยลดความเครียดแรงดึงทั้งหมดบนปลอก ในกรณีที่มีการใช้การปรับเปลี่ยนเหล่านี้ ปลอก 316 ขนาด 1.2 มม. อาจมีอายุการใช้งานที่เพียงพอในสภาวะซึ่งจะทำให้ปลอกขนาด 2.0 มม. ที่มีความเค้นตกค้างสูงเสียหายได้

กลยุทธ์ในการตรวจสอบและติดตามการติดตั้งที่มีอยู่
เมื่อเครื่องทำความร้อนถูกใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ร้อน ตัวเลือกความหนาของผนังจะไม่สามารถแก้ไขได้ย้อนหลัง แต่จำเป็นต้องมีการตรวจสอบการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นบ่อยครั้ง การทดสอบการแทรกซึมของสีย้อมของพื้นผิวฝักสามารถตรวจจับรอยแตกที่เพิ่งเกิดขึ้นก่อนที่จะซึมเข้าไปในผนัง สำหรับการบริการคลอไรด์ 80 องศา 500 ppm เปลือกหนา 1.2–1.6 มม. แนะนำให้ตรวจสอบทุกไตรมาส สำหรับเปลือกที่หนาตั้งแต่ 2.0 มม. ขึ้นไป การตรวจสอบครึ่งปี-อาจเพียงพอ เนื่องจากเวลาการขยายพันธุ์ที่เพิ่มขึ้นจะทำให้มีการเตือนมากขึ้น การตรวจสอบการปล่อยเสียงสามารถตรวจจับกิจกรรมการแตกร้าวได้แบบเรียลไทม์ระหว่างการทำงาน แม้ว่าแนวทางนี้มักจะนำไปใช้กับสิ่งอำนวยความสะดวกที่สำคัญหรือมีมูลค่าสูง-ก็ตาม ตัวบ่งชี้คำเตือนที่สำคัญคือการพัฒนาของการแตกหักแบบละเอียดบนพื้นผิวของฝัก ซึ่งโดยทั่วไปจะมองเห็นได้เฉพาะภายใต้การขยายหรือโดยการใช้สารแทรกซึมสีย้อม หากเห็นรอยแตกร้าว ควรเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนอย่างรวดเร็วโดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนังที่เหลืออยู่ เนื่องจากอัตราการแพร่กระจายสามารถเร่งได้อย่างไม่อาจคาดเดาได้

สรุป: ข้อกำหนดเฉพาะของความหนาของผนังสำหรับการควบคุมการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น
ความหนาของผนังไม่ใช่ตัวชี้วัดความทนทาน แต่เป็นเครื่องมือบริหารความเสี่ยงสำหรับวิศวกรที่เลือกปลอกสแตนเลส 316 สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์สูง ผนังที่หนาขึ้นจะชะลอเวลาการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว แต่อย่าป้องกันการเกิดรอยแตกร้าวหากยังมีความเค้นตกค้างอยู่มาก ผนังที่บางกว่าอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวได้เร็วกว่าแต่จะทะลุเร็วกว่า ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพที่ซ่อนอยู่น้อยกว่า วิธีที่ดีที่สุดในการหลีกเลี่ยงการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นคือหลีกเลี่ยงสภาวะที่อาจเกิดขึ้นได้ นั่นคือการรักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่า 60 o C คลอไรด์ต่ำกว่า 100 ppm หรือความเครียดตกค้างต่ำกว่า 100 MPa ในกรณีของการใช้งาน เงื่อนไขเหล่านี้เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นการประนีประนอมที่เหมาะสมของการเริ่มต้นการแตกหักและระยะขอบการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวนั้นมาจากความหนาของผนัง 1.6-2.0 มม. พร้อมการอบอ่อนแบบเต็ม หากระดับคลอไรด์เกิน 1,000 ppm หรือหากอุณหภูมิเกิน 100 องศา คำแนะนำทางวิศวกรรมที่เหมาะสมเพียงอย่างเดียวคือเลือกปลอกโลหะผสมอื่น ค่าใช้จ่ายในการอัพเกรดเป็น Incoloy 825 หรือไทเทเนียมนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายที่เกิดจากความล้มเหลวของตัวทำความร้อนโดยไม่คาดคิด ซึ่งส่งผลให้เกิดการปนเปื้อนในชุดผลิตภัณฑ์ การสูญเสียสายการผลิต หรืออันตรายด้านความปลอดภัยจากชิ้นส่วนไฟฟ้าที่มีไฟฟ้าเปิดอยู่เมื่อสัมผัสกับสารละลายคลอไรด์นำไฟฟ้า