316 ヒーターチューブのセンタレス仕上げ後の表面研削痕の最大許容深さは、90 度の 500 ppm 塩化物水中での応力腐食割れの開始を防止します。

SCC発生の応力集中場所としての表面傷

厳しい直径公差または滑らかな表面を達成するために最終仕上げ操作としてセンタレス研削または機械研磨された 316 ステンレス鋼シース電熱管の塩化物環境における応力腐食割れ (SCC) の発生のしきい値は、残留研削マークの深さによって直接制御され、砥粒サイズと送り速度に応じて通常 5 ～ 50 µm です。各研削マークは幾何学的応力集中器であり、滑らかで浅いマーク (深さ) の場合、理論上の応力集中係数 (K_t) は 1.5 の範囲です。<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 μm、根元半径<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.

表面ノッチにおけるSCC発生のメカニズム

高温塩化物中での 316 応力腐食割れには、影響を受けやすい微細構造 (通常はある程度の冷間加工)、長期にわたる引張応力、および攻撃的な塩化物環境という 3 つの条件が必要です。表面研削マークの基部では、局所的な引張応力は $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ で与えられます。ここで $K_{t}$ はマークの形状 (深さ対半径の比) の関数です。深さ d と谷底半径 ρ をもつ一般的な研削マークは、K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ) を与えます。浅い丸い凹み (d=5 μm、ρ=10 μm) は K_t≈1+2×sqrt(0.5)=2.4. 深く鋭いマーク (d=20 $\\mu$m、$\\rho$=2 $\\mu$m) の場合、$K_t\\estimate を推定します。 1+2\\time\\sqrt(10)=7.3$ . 100 MPa の残留応力が加えられた場合、局所応力は 240-730 MPa となり、降伏強度 205 MPa を超え、SCC が急速に発生する領域にまで達します。亀裂は応力集中で始まり、加えられた応力によって亀裂先端での陽極溶解を経て、シース壁を貫通するまで進行します。

研削痕深さとSCC発生の定量的関係

90 度、500 ppm の塩化水中で、制御された深さの表面研削マーク（砥粒と供給速度を変更することで達成）を持つ 316 チューブの制御された SCC 試験（連続負荷、U-曲げまたは C- 試験片）により、特定の期間内で SCC が開始するために不可欠な深さが確立されました。

最大研削マーク深さ (μm) 標準的な表面粗さ (Ra、μm) マークの根元半径 (μm、標準) 応力集中係数 (K_t) SCC 開始までの時間 (時間、500 ppm Cl-、90 度、100 MPa 残留応力) 穿孔までの時間 (開始後 1.5 mm の壁) 500 ppm で推奨Cl-、90度サービス<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30,000 有（電解研磨相当）
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10,000-20、000 15,000-25,000 はい 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5,000-10、000 8,000-15,000 許容可能 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2,500-5,000 4,000-8,000 限界12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1,000～2、500 2,000～4,000 非推奨
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1、000 1,000-2,000 受け入れられません
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 
許容マーク深さに対する残留応力レベルの影響

許容される研削痕の深さは、シースの残留引張応力によって大きく異なります。残留応力が高い場合、SCC を防ぐためにマーキングを浅くする必要があります。多くの残留応力レベル、500 ppm Cl-、90 度での最大許容マーク深さを下の表に示します。

残留引張応力 (MPa) 10,000- 時間の最大許容研削痕深さ SCC フリー寿命 (μm) 必要な表面粗さ (Ra、μm) 推奨仕上げ方法<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50～100（描画）<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (中程度の描画)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (-曲がったまま、応力緩和なし)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
実用塩化仕上げ仕様サービス

推定残留応力状態に基づいて、80 度を超える温度、200 ppm を超える塩化物水中で使用する 316 シーズ ヒーターには、次の表面仕上げ基準が推奨されます。

最終加工方法 最大研削痕深さ 最大Ra 確認方法 残留応力状態
応力緩和 (成形後にアニール) センタレス研削、400-600 グリット 10 µm 0,5 µm 視覚 + 形状測定 50×
絞り加工または曲げ加工 (張力緩和なし) 精密研削 + マイルドポリッシュ 5 µm 0.3 µm 表面形状計
高塩化物 描画のまま 曲げたまま 電解研磨 (20 ～ 30 μm 除去)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
任意、重要なサービスの場合電解研磨 + パシベーション 0 (マークは完全に削除)<0.1 µmComplete surface inspection
研削痕によって発生したSCCの現場識別

塩化物使用時に SCC によって故障したヒーターの場合、破壊の起点となる場所について破面を調査する必要があります。倍率 (100 ～ 500 倍) で見ると、亀裂の起点が研削跡や傷と一致することがよくあります。マークは明確に定義された溝として見られ、多くの場合、腐食生成物が優先的に溝に収集されます。 SCC 亀裂は研削マークの方向に垂直に伝播します (マークが円周方向の場合、亀裂は軸方向であり、マークが軸方向の場合、亀裂は通常円周方向ですが、マークに従う場合があります)。研削マークが存在し、使用環境の塩化物が 200 ppm を超え、温度が 80 度を超える場合は、研削マークによる SCC を疑う必要があります。答えは、将来購入する場合には電解研磨または精密研磨された表面を要求し、アクセス可能な場合は現在のヒーターを廃止するか、シースの表面を研磨することです (現実的であることはほとんどありません)。

結論: 塩化物サービスの研削痕深さの限界

Grinding markings >10-12 µm は応力集中部を提供し、90 度、500 ppm 塩化水中での 316 ステンレス鋼製ヒーターの SCC 開始時間を 20000+ 時間から 2,000-5,000 時間まで短縮します。 SCC は、20 µm より深い深さの通常の残留応力レベルでは 500 ～ 1000 時間で始まります。塩化物サービスの場合、316 シースを選択するエンジニアは、研削痕の最大深さ (例: 8 μm 以下)、または同等の最大表面粗さ (例: Ra 0.5 μm 以下) を指定し、形状測定による検証を依頼する必要があります。最も過酷な塩化物条件や残留応力を最小限に抑えることができない場合は、電解研磨により冷間加工された傷のある表面層を除去し、研削痕に伴う応力集中を完全に除去します。ここで提案されるアプローチは、研削痕の深さを測定可能な SCC 開始タイミングに関連付けることにより、購入者が表面欠陥での早期亀裂の開始を回避する表面仕上げ技術を指定できるようにします。