316 ヒーター チューブのローラー矯正による最大許容表面引張残留応力は、80 度、200 ppm の塩化物水中で 10 年間応力腐食割れを防止します。

-長期​​的な SCC 要因: 矯正によって生じる残留応力

ローラー矯正による引抜きまたは焼きなまし後に製造される 316 ステンレス鋼で被覆された電熱管の場合、ローラー矯正プロセスによって導入される表面引張残留応力が、温間塩化物使用における応力腐食割れ (SCC) の感受性を制御する唯一の最も重要な要因となることがよくあります。初期の管の曲率、ローラーのオフセット、および矯正パスの数に応じて、ローラー矯正の表面引張応力は 50-250 MPa になります。80 度、200 ppm の塩化水中で焼き鈍した 316 での SCC 開始の閾値引張応力は、約 120 ～ 140 MPa (降伏の 60 ～ 70%) です。 SCC がない場合の 10 年間の耐用年数における表面の最大許容残留引張応力は 100 MPa です。 120 MPa を超えると 1 ～ 3 年で亀裂が発生し、150 MPa を超えると数か月で亀裂が発生します。この記事では、矯正によって引き起こされる残留応力、SCC の開始時間、および希塩化物条件での耐用年数の間の関係が定量化されています。

矯正による表面応力のメカニズム

ローラー矯正は、曲率を除去するために、張力と圧縮を交互に繰り返して管の表面を塑性変形させます。各ローラー接触点で、チューブの外側繊維は、矯正の程度に応じて、一般に 0.2 ～ 1.5% の引張歪みを受けます。約 205 MPa (焼きなまし) ～ 450 MPa (冷間加工) の降伏強度を持つ 316 ステンレス鋼の場合、これらのひずみは 50 MPa (直管の軽度の矯正) ～ 250 MPa (曲管の重度の矯正) の残留応力を生成します。残留応力プロファイルは表面に非常に局所的に集中しており、壁の外側の 20 ～ 100 lm で最大の応力が発生します。この薄くてひずみの高い層は、亀裂が表面近くで核生成し、残留応力場を通じて伝播するため、SCC の開始に非常に適しています。対照的に、80 度では残留張力は時間が経ってもあまり減少しません。

矯正応力と80度でのSCC寿命との定量的相関関係

80 度、200 ppm 塩化水 (pH 7.5、通気) 中で、規制された表面残留応力レベル (X- 線回折によって測定) を使用した 316 チューブの体系的な SCC 試験 (連続荷重、U- 曲げ試験片) では、次の開始時間と伝播時間を示しました。

最大。矯正による表面引張残留応力 (MPa) 降伏の % としての応力 (316、205 MPa で焼鈍) SCC 亀裂開始までの時間 (時間、80 度、200 ppm Cl- ) 穿孔までの時間 (1.5 mm 壁、時間) 総耐用年数 (年) 10 年間の耐用年数を推奨<50 <25% >80,000 >100,000 >11 年 はい 50-75 25-37% 50,000-80、000 60,000-100,0007-11 年 はい 75-100 37-49% 30,000-50、000 40,000-70、000 5-8 年 10 年間は大丈夫ですか？限界 100-120 49-59% 15,000～30、000 20,000～45、000 2-5 年なし（10 年）
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
肉厚が残留応力耐性に及ぼす影響

壁が厚いと、矯正による応力が異なる方法で分散されるため、破壊の進行をサポートするための材料が多くなります。以下の表は、10 年間の耐用年数における矯正の最大許容残留応力を肉厚の関数として示しています。

肉厚 (mm) 10 年寿命における矯正による最大許容残留応力 (MPa) 矯正による同等最大冷間加工許容値 (%)
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 実用仕様 - 焼鈍後の矯正

以下の矯正パラメータは、温塩化物負荷 (80 度、200 ppm Cl⁻) 用の 316 シーズ ヒーターの調達書類に記載する必要があります。

矯正前の管の状態 矯正後の最大表面残留応力（MPa） 矯正方法 検証方法
100% アニール済み (ストレスフリー) サンプルの X- 線回折 複数回のパス、小さなローラー オフセット
軽冷間引抜 (10-15% CW) 80 ローラーオフセットの低減 フェライトスコープ + XRD
60 シングルパス、オフセットが少ない 中程度の冷間圧延- (15-25% CW) 塩素サービスには適さない. .
-曲げたまま（以前にまっすぐにしていない）80（直線部分で測定）必要な場合のみまっすぐにします必要な XRD
真っ直ぐにしたチューブの残留応力の検証

残留応力レベルの認定を希望する購入者には、3 つの検証手法があります。 1 つ目は X- 線回折 (XRD) で、±20 MPa の精度で表面残留応力を直接測定できます。 2 つ目は、ASTM G38 U- 曲げ試験です。この試験では、受け取ったままのチューブのサンプルを 180 度曲げてから、沸騰した塩化マグネシウム (154 度) に浸すか、より同等の条件では、80 度の 200 ppm の塩化物に浸漬します。残留応力が 100～120 MPa を超える場合、MgCl 2 では 100 時間以内、または使用シミュレーション溶液では 2,000 時間以内に亀裂が発生します-。 3 番目の方法は透磁率の測定です。316 の矯正による残留応力は透磁率に直接関係しませんが、応力最大値での局所的なマルテンサイトの発達を検出できます。重要な用途では、各製造ロットの単一サンプルの XRD 測定によって最も高い信頼性が得られます。

矯正によるSCCの現場診断

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。これらの故障の解決策は、将来の購入時に、機械的品質を大きく変えることなく残留応力を 50 ～ 70% 最小限に抑える矯正後の応力除去焼きなまし (400 ～ 450 度で 1 ～ 2 時間) を指定することです。

直線残留応力と曲げ残留応力の相互関係

ヒーターが（曲げる前に）真っ直ぐに製造され、その後最終形状に曲げられる場合、両方の手順による残留歪みが寄与する可能性があります。全体的な残留応力が最も高くなるのは、多くの場合、矯正ひずみが生じた側の外側の曲げ半径で見られます。このようなヒーターでは、許容矯正応力をさらに小さくする必要があります。控えめな基準としては、直線残留応力と曲げ残留応力の合計 (同じ場所で測定) が、80 度、200 ppm Cl- 中での 10- 年の寿命で 100 MPa を超えてはいけないということです。

結論: 塩化物サービスの低矯正応力仕様

80 度、200 ppm の塩化物水中での 316 ステンレス鋼製ヒーターの SCC 開始の重要な閾値は、表面引張残留応力が約 100-120 MPa です。 120 MPa を超える矯正応力では 1 ～ 3 年後に破壊が始まり、100 MPa 未満のひずみでは 10 年の耐用年数が得られます。温間塩化物サービスの場合、316 シースを指定するエンジニアは、最小限のローラー オフセットでチューブの矯正を指定し、サンプル チューブの XRD による残留応力を確認し、塩化物が 200 ppm を超えるか温度が 70 度を超える場合は矯正後の応力除去焼き鈍し (400 度で 1 時間) を指定する必要があります。ここで提案されるアプローチは、矯正によって引き起こされる残留応力を測定可能な SCC 開始時間および穿孔時間と関連付け、購入者がこの隠れた、しかし重大な亀裂リスクの原因を回避するための製造技術を指定できるようにします。