U-型浸漬ヒーター用の 316 ステンレス鋼シース管を冷間曲げすると、残留オーステナイトがひずみ誘起マルテンサイトに変化し、低温-塩化物高温-水中での孔食が促進されますか?

U 字型や特注で曲げた 316 ステンレス鋼の電熱管を形成する際の冶金学的リスクは、通常、標準的な腐食要件では無視されます。曲げのプロセス、特に冷間引き抜きチューブに小さな半径を使用する場合、塑性変形が生じ、準安定の残留オーステナイトがひずみ誘起マルテンサイトに変化します。-。この移行により、基材が技術的に 316 の組成要件を満たしている場合でも、曲げ領域の実効孔食抵抗当量数 (PREN) が減少します。実験データの電気化学試験により、316 ステンレス鋼シースの冷間曲げ部分の臨界孔食温度 (CPT) は、同じ加熱で曲げていない部分より 15-25 度低い可能性があることが明らかになりました。水の塩化物濃度は低いが温度が高い（例、80 ～ 95 ℃、50 ～ 100 ppm Cl⁻）用途では、この低下により通常、使用数か月以内にベントゾーンが受動的な孔食状態から能動的な孔食状態に移行し、ヒーターの早期故障が発生します。この記事では、曲げ半径、ひずみ誘起マルテンサイト分率、および孔食感受性の関連性を評価し、中程度に厳しい水生環境向けに成形 316 ステンレス鋼浸漬ヒーターを指定する設計エンジニア向けの選択フレームワークを提供します。

冷間曲げ 316 ステンレス鋼のひずみ誘起マルテンサイトの冶金学的メカニズム-
316 ステンレス鋼のオーステナイト構造は、特定の積層欠陥エネルギーでのみ熱力学的に安定します。マルテンサイト開始温度 (Ms) 未満では、機械的変形は冷間加工プロセスであり、供給されるエネルギーは面-立方晶オーステナイト ($\\gamma$) から体-中心正方晶マルテンサイト ($\\alpha'$) へのせん断転移を誘発するのに十分です。 316 ステンレス鋼の Ms 温度は約 -40 度です。ただし、臨界量を超える真の塑性ひずみでは、室温でひずみ誘起マルテンサイトが見られます。曲げると、シースの外側の繊維に応力がかかり、内側の繊維に圧縮がかかります。 ε=t/2R ここで、R はチューブの中心線までの曲げ半径、t は壁の厚さ、ε は引張側の最大塑性ひずみです。壁厚 1.2 mm、中心線半径 24 mm の標準外径 12 mm チューブの 2D 曲げの場合、外側の繊維のひずみは 0.05 (5%) です。半径 15 mm (1.25D 曲げ) では、ひずみは 0.08 (8%) に増加します。フィッシャーフェリトスコープによる測定では、316 ステンレス鋼では 5% の引張ひずみで約 8 ～ 12% の a' マルテンサイトが生成され、8% のひずみで 15 ～ 25% のマルテンサイトが生成されることが示されています。

マルテンサイトの生成は耐食性に二重の影響を与えます。第一に、マルテンサイトはオーステナイトよりもクロムおよびモリブデンへの溶解度が低く、その結果、相境界にクロムが欠乏したパッチが形成されます。第 2 に、マルテンサイトはオーステナイトに対して陰極相であり、その結果、ガルバニック マイクロセルが形成され、隣接するオーステナイトが陽極溶解します。 80度の100 ppm塩化物溶液中での動電位分極スキャンは、15%のマルテンサイトを含む冷間曲げ316ステンレス鋼の孔食電位が+150 mV対Ag/AgClであるのに対し、完全に再結晶化した状態の同じ材料の孔食電位は+350 mVであることを示しています。 200 mV の変化は、屈曲領域でピットを開始するために必要なアノード分極がはるかに少ないことを意味します。

曲げ半径と孔食寿命の定量的関係
U- 形状の 316 ステンレス鋼ヒーター (厚さ 1.5 mm、直径 12 mm) を合成冷却水 (80 ppm Cl-、200 ppm SO42-、pH 7.2、85 度) で制御された浸漬実験に供し、曲げ半径の関数として故障パターンを実証しました。各ヒーターは 8 W/cm の表面熱流束で動作させました。2 . 故障は次のように定義されました。外側の曲げ頂点の孔食による穴。

曲げ半径 36mm (3D、ひずみ ≈ 3.3%): 2100 時間後の平均孔食破損。曲がった頂点のマルテンサイト含有量 6% 複数サイトでの開始、遅い伝播。

曲げ半径 24 mm (2D、ひずみ 5.0%): 1150 時間後の平均孔食破壊 マルテンサイト含有量: 11% ピットは引張側ひずみピークで優先的に核生成します。

曲げ半径 18 mm (1.5D、ひずみ 6.7 %)。平均ピッチング故障時間 550 時間。マルテンサイト含有量 18 %;外側の曲げ部分の 2 mm リングに局所的な腐食。

曲げ半径 12 mm (1D、ひずみ 10%): 180 時間後の平均孔食破損。マルテンサイト含有量: 27 %。場合によっては亀裂を伴う急速な穿孔。

プロセス水中の塩化物濃度がより高い（300-500 ppm）用途では、各曲げ半径での孔食寿命はさらに 2 ～ 3 倍減少します。また、水温が 50 度未満の場合、臨界孔食温度は曲げ部であっても加工温度より高いため、マルテンサイトに起因する孔食の加速は重要ではありません。

曲げ部における局所的な孔食の熱的および機械的影響。
曲げ半径に応力が集中する設計により、孔食の故障が特に厄介になります。ピットがシース壁を突き破ると、内部の発熱体 (通常は NiCr または FeCrAl ワイヤ) がプロセス流体にさらされます。水ベースのシステムでは、これにより直ちに地絡が発生し、ヒーターが停止します。ただし、ピット底部の残りの壁厚における高い熱抵抗と局所的な電流密度により、完全に穿孔される前であっても、部分的な厚さのピットに孤立したホットスポットが発生します。-曲げ部の壁貫通率が 30% のヒーターの赤外線サーモグラフィーでは、表面温度が曲げ部周囲のシース温度より 35 ～ 50 度上昇していることが示されています。このホットスポットにより腐食が進行し、局所的な過熱により内部抵抗線が焼損する可能性があります。{9}}加圧システムであっても、ヒーターが熱サイクルにさらされると、部分的な深さのピットが応力上昇として機能し、疲労亀裂を引き起こす可能性があります。

曲げによって誘発される引張残留応力も、特定の条件では応力腐食割れ (SSC) を引き起こします。残留引張応力（外側の繊維の曲げ部分で通常 100-250 MPa）、マルテンサイト、温度上昇の組み合わせにより、316 ステンレス鋼の塩化物-を含む条件では相乗的な破壊メカニズムが引き起こされます。化学バッチ反応器のケース履歴が入手可能です。そこでは、95 度の 200 ppm Cl サービスで 1.5D 半径に曲げられた U- 形の 316 ヒーターが 300 時間後に粒内 SCC で故障しましたが、3D 半径に曲げられた同一のヒーターは、亀裂が入ることなくほぼ 3000 時間動作しました。

塩化物レベルと動作温度による曲げ半径の選択ガイド
次の決定マトリックスは、エンジニアが U- 形状およびカスタム成形された 316 ステンレス鋼電熱管の最小曲げ半径を定義する際に役立ちます。-塩化物濃度と最大シース温度の組み合わせごとに、マルテンサイトの生成を 5% 未満に制限するために推奨される最小 R/t 比 (曲げ半径をチューブの外径で割った値) が与えられます。

最大塩化物濃度 (ppm) 最大シース温度 (度) 推奨最小曲げ半径 (チューブ外径の倍数) 予測孔食-自由寿命 (時間)-曲げ後の熱処理は必要ですか?
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 必須 + 合金アップグレードの検討 (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 必須 + 合金のアップグレードの検討 (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 必須 + 合金のアップグレードの検討 (Incoloy 825) > 600 > 100 6.0 D > 300 必須 + 合金のアップグレードの検討(インコロイ 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 必須 + 合金のアップグレードを検討 (インコロイ 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 必須 + 合金のアップグレードを検討 (インコロイ 825) 600 任意の温度 冷間曲げは使用せず、ストレート ヒーターまたは熱成形曲げを使用してください。不適切です 316 ストレートを使用するか、より耐久性の高い合金に移行してください
中程度の塩化物条件で 2.5D 未満のコンパクトな U 曲げを必要とする用途の場合、メーカーは、歪み構造を再結晶化させてマルテンサイトを除去するために、1050 度に加熱した後急速水冷する曲げ後溶体化焼鈍手順を使用することを選択する場合があります。-ただし、内部の発熱体と終端シールがこれらの温度に耐えられないため、完成したヒーターアセンブリの溶体化焼きなまし-は通常不可能です。このような状況では、実際的な解決策は、より大きな曲げ半径を指定するか、316Ti (炭化物を安定化し、マルテンサイトを形成する傾向が少ないためにチタンが添加されている) などの、より成形可能でありながら耐食性を備えた合金を指定することです。-

曲げに関連する腐食を軽減するための追加手順-
設計上の制限により 316 ステンレス鋼シースの狭い曲げ半径が必要な場合、3 つの技術的方法で部分的に耐食性を回復できます。外側のファイバーのひずみは t/R に比例します。したがって、曲げる前のチューブの壁が厚ければ厚いほど、所定の曲げ半径に対する外側ファイバーの歪みは少なくなります。 1.5D 半径に曲げられた壁 1.8 mm チューブは、同じ半径に曲げられた壁 1.2 mm チューブよりも歪みが低くなります。これにより、マルテンサイト生成が約 30% 減少します。第 2 に、316 (0.08% C) ではなく低炭素 316L (最大 0.03% C) を指定すると、曲げおよびその後の溶接中の鋭敏化に対する耐性が向上しますが、マルテンサイトの形成は直接防止されません。第三に、曲げ後の電解研磨操作により、マルテンサイト密度が最大の薄い表面層 (20 ～ 50 μm) と変形に起因する欠陥が除去されます。-。電気化学試験では、1.5D 曲げ部を電解研磨すると、孔食電位が曲げられていない状態の 50 mV 以内になり、未研磨の曲げ部に比べて耐用年数が 3 倍延びることが示されています。

耐久性の高い 316 ステンレス鋼浸漬ヒーターの曲げ半径
U 字型またはカスタム曲げ 316 ステンレス鋼電熱管の見積もりを要求する設計エンジニアは、最小曲げ半径を管外径の倍数、予想される塩化物濃度、プロセス流体の最大動作温度を指定する必要があります。{0}メーカーの標準曲げ半径が水の化学的性質 (通常は 2D または 1.5D) に適しているとは信じないでください。一般的な都市給水の水の硬度と塩化物レベル（50-150 ppm Cl-、60-80度の動作温度）を備えた新規設備の場合、マルテンサイト濃度が 5% 未満であることと、10,000 時間以上の予測孔食寿命が保証される最小 3D 曲げ半径を提供します。-。スペースの制限により 2.5D よりもきつく曲げる必要がある場合は、サプライヤーにサンプル曲げのひずみ誘起マルテンサイト測定 (フェライトスコープまたは X 線回折) を依頼し、電解研磨または曲げ後の応力解放手順を検討してください。曲げ半径を肉厚や表面研磨と同等の設計変数として扱うことで、プロセスエンジニアは、直線部分からではなく、あらゆる曲げの影響を受けやすい外側の繊維に起因する早期故障を防ぐことができます。