Açık deniz platformları, gemi sistemleri ve kıyıdaki endüstriyel tesisler için elektrikli daldırma ısıtıcıları belirleyen denizcilik mühendisleri için, döngüsel mekanik yükleme ve klorür korozyonunun birleşimi, korozyon yorgunluğu olarak bilinen özellikle agresif bir arıza mekanizması yaratır. Havadaki saf yorulma veya statik koşullardaki saf korozyondan farklı olarak, korozyon yorulması önemli ölçüde daha düşük gerilim genliklerinde ve daha kısa çevrim ömürlerinde çatlak başlangıcına neden olur. Direnç telinin etrafındaki magnezyum oksit izolasyonunu sıkıştırmak için kullanılan dövme işlemi sırasında ortaya çıkan artık gerilimler-, işaretlerine ve büyüklüklerine bağlı olarak çatlak büyümesini hızlandırmak veya geciktirmek için servis gerilimleriyle etkileşime girer. Bu makale, 316 paslanmaz çelik bir kılıfın duvar kalınlığının dövme sonrasında artık gerilim dağılımını nasıl etkilediğini ve bu artık gerilimlerin deniz ortamlarındaki korozyon yorulma ömrünü nasıl değiştirdiğini niceliksel olarak açıklamaktadır.
316 Kılıfın Bükülmesi Sırasında Artık Gerilim Oluşumu
316 paslanmaz çelik bir boru, MgO- ile doldurulmuş çekirdeğin etrafında daha büyük bir çaptan daha küçük bir çapa doğru döndürüldüğünde, süreç karakteristik bir artık gerilim desenine neden olur. Kılıfın dış yüzeyi, dövme kalıpları malzemeyi içeriye doğru çekiçlediğinden dolayı artık basınç gerilimlerine maruz kalırken, iç yüzey, elastik geri yaylanma sırasında sıkıştırılmış MgO'nun dışarı doğru itilmesi nedeniyle çekme artık gerilimlerine maruz kalır. Bu artık gerilimlerin büyüklüğü, çap azalmasına göre duvar kalınlığına bağlıdır. 1,0 mm'nin altındaki ince-duvarlı bir kılıf-için, dövme kuvveti neredeyse tüm duvar kalınlığına nüfuz ederek dış yüzeyde yüksek basınç gerilimleri (tipik olarak -200 ila -300 MPa) ve iç yüzeyde orta düzeyde çekme gerilimleri (+50 ila +100 MPa) üretir. 1,8 mm'nin-üzerinde kalın-duvarlı bir kılıf-için, dövme kuvveti esas olarak dış katmanlarda emilir ve yalnızca dış yüzeyin yakınında yüksek basınç gerilimleri üretirken, iç katmanları nispeten etkilenmez bırakır. İç yüzeydeki çekme gerilimleri de daha düşüktür, çünkü Madde 12'de tartışıldığı gibi MgO sıkışması daha az tamamlanmıştır. Dövme 316 kılıflardaki artık gerilimin X-ışını kırınım ölçümleri bu ilişkiyi doğrulamaktadır. 0,9 mm'lik bir duvar kılıfı -280 MPa'lık yüzey basınç gerilimi gösterdi. 1,5 mm'lik bir duvar kılıfı -180 MPa gösterdi. 2,0 mm'lik bir duvar kılıfı yalnızca -120 MPa gösterdi. Daha ince kılıf, korozyon yorulma çatlaklarının tipik olarak başladığı dış yüzeyde daha faydalı basınç gerilimini depolar.
Artık Basınç Gerilmeleri Korozyon Yorulma Çatlak Başlangıçlarını Nasıl Geciktirir?
316 paslanmaz çelikte korozyon yorulma çatlağı başlangıcı, hem döngüsel çekme gerilimi hem de klorür içeren aşındırıcı bir elektrolit gerektirir. Çatlak, koruyucu pasif filmin parçalandığı bir yüzey çukurunda veya dahil edilmesinde başlar. Yüzey artık basınç gerilimi durumundaysa, malzeme çatlak ucunda net gerilime maruz kalmadan önce uygulanan döngüsel çekme geriliminin ilk olarak bu sıkışmayı aşması gerekir. Bu, çatlak başlangıcı için eşik gerilimini etkili bir şekilde yükseltir. -280 MPa yüzey artık sıkıştırmasına sahip 0,9 mm 316 kılıf için, uygulanan +200 MPa'lık döngüsel gerilim, yüzeyde hala sıkıştırılmış durumda yalnızca -80 MPa net üretir ve bir yorulma çatlağını başlatamaz. Yalnızca uygulanan döngüsel gerilim +280 MPa'yı aştığında yüzeyde net gerilim oluşur. Buna karşılık, yalnızca -120 MPa yüzey sıkıştırmasına sahip 2,0 mm'lik bir kılıf, uygulanan gerilim çok daha düşük bir eşik olan +120 MPa'yı aştığında net gerilim yaşar. 60°C'de sentetik deniz suyunda yapılan korozyon yorulma testi bu etkiyi doğrulamaktadır. 0,9 mm duvar kalınlığına ve yüksek artık sıkıştırmaya sahip numuneler, çatlak başlangıcı olmadan alternatif gerilim uygulanan 250 MPa'da 10 milyon döngüye dayandı. 2,0 mm duvar kalınlığına ve düşük artık sıkıştırmaya sahip numuneler, aynı uygulanan stres altında 2 milyon döngüden sonra başarısız oldu. Daha ince kılıf, daha az mutlak duvar kalınlığına rağmen beş kat daha uzun korozyon yorulma ömrü sağladı.
Artık Gerilim Faydası ile Et Kalınlığı Marjı Arasındaki-Tartışma
İnce duvarlı kılıfların korozyon yorulması avantajı, çatlak başladığında azaltılan malzeme marjına göre dengelenmelidir. Yüksek artık sıkıştırmaya sahip 0,9 mm'lik bir kılıf, milyonlarca döngü boyunca çatlak başlangıcına direnebilir. Bununla birlikte, bir çatlak,-örneğin büyük bir yüzey çukuru veya geçici aşırı yük nedeniyle artık gerilim alanının üstesinden geldiğinde-delinmeden önce yalnızca 0,9 mm malzeme boyunca yayılması gerekir. Daha düşük artık sıkıştırmaya sahip 2,0 mm'lik bir kılıf, daha az sayıda döngüden sonra bir çatlak başlatabilir, ancak çatlağın arızaya neden olması için 2,0 mm boyunca ilerlemesi gerekir. Arızaya kadar olan toplam ömür, başlangıç ömrü ile yayılma ömrünün toplamıdır. 60°C deniz suyunda dönen kiriş korozyon yorulma testlerinden elde edilen deneysel veriler, 200 MPa alternatif gerilimde 10 mm OD 316 kılıflar için aşağıdaki arızaya kadar olan toplam döngüleri göstermektedir. 0,8 mm'lik bir kılıf toplamda 12 milyon döngüye ulaştı (11,5 milyon başlatma, 0,5 milyon yayılma). 1,2 mm'lik bir kılıf 8 milyon döngüye ulaştı (7 milyon başlatma, 1 milyon yayılma). 1,6 mm'lik bir kılıf 5 milyon döngüye ulaştı (3 milyon başlatma, 2 milyon yayılma). 2,0 mm'lik bir kılıf 3,5 milyon döngüye ulaştı (1,5 milyon başlatma, 2 milyon yayılma). Yüksek artık sıkıştırma özelliğine sahip ince duvarlı kılıf, minimum yayılma marjına rağmen en uzun toplam ömrü sağlar.
Deniz Ortamları için Korozyon Yorulma Ömrü Seçim Matrisi
Aşağıdaki tablo, beklenen döngüsel gerilim genliğine ve gerekli hizmet ömrüne dayalı olarak deniz ortamlarındaki elektrikli daldırma ısıtıcılar için önerilen 316 kılıf duvar kalınlıklarını sağlar. Değerler, 30–60°C'de sürekli olarak deniz suyuna veya acı suya maruz kaldığı ve dövme sonrası tavlama olmadan standart dövme işlemlerinin- yapıldığı varsayılmaktadır.
| Beklenen Döngüsel Gerilim Genliği | Gerekli Servis Ömrü | Önerilen 316 Kılıf Duvar Kalınlığı | Baskın Arıza Modu | Tasarım Gerekçesi |
|---|---|---|---|---|
| Düşük (< 50 MPa) | >10 yıl | 1,2 – 1,6 mm | Aralık korozyonu | Artık stresin faydası daha az önemlidir; korozyon payı kalınlığı artırır |
| Orta (50 – 150 MPa) | 5 – 10 yıl | 1,0 – 1,2 mm | Korozyon yorgunluğunun başlatılması | İnce duvar, çatlak önleme için yüksek artık sıkıştırma sağlar |
| Orta (50 – 150 MPa) | >10 yıl | 1,4 – 1,6 mm,-sonrası tavlama ile | Başlatma sonrası yayılma | Tavlama, artık stres faydasını ortadan kaldırır; kalınlık marjına güven |
| Yüksek (150 – 250 MPa) | 3 – 5 yıl | 0,8 – 1,0 mm | Korozyon yorgunluğunun başlatılması | Maksimum artık sıkıştırma esastır; daha kısa servis ömrünü kabul edin |
| Yüksek (150 – 250 MPa) | >5 yıl | 316 ile mümkün değil | Aşırı yükleme veya hızlı çatlama | Incoloy 825 veya titanyuma yükseltme |
| Sık aşırı yüklemelerde değişken | Herhangi | 1,6 – 2,0 mm | Beklenmeyen çatlaktan sonra yayılma | Kalınlık marjı öngörülemeyen olaylara karşı koruma sağlar |
Döngüsel gerilimlerin titreşimden, termal genleşme döngüsünden veya basınç dalgalanmalarından kaynaklandığı uygulamalar için gerilim genliğinin ölçülmesi veya tahmin edilmesi önemlidir. Ölçümün imkansız olması durumunda, 100 MPa'lık orta düzeyde bir gerilim seviyesinin varsayılması ihtiyatlı bir varsayılandır. Bu gibi durumlarda, 1,2 mm'lik duvar kalınlığı, artık gerilim avantajı ve yayılma marjı arasında en iyi dengeyi sunar. Mühendisler aynı zamanda yüksek-döngülü uygulamalara yönelik kalın duvarlı kılıflar için-dövme sonrası tavlamayı da belirtmeyi düşünmelidir. 1.050°C'de tavlama, artık gerilimleri tamamen ortadan kaldırarak ince duvarların korozyon yorulması avantajını ortadan kaldırır, ancak aynı zamanda iç yüzeyde çatlak yayılmasına katkıda bulunabilecek artık çekme gerilimlerini de ortadan kaldırır. Tavlanmış 1,6 mm'lik bir kılıf, toplam yorulma ömrü açısından tavlanmamış 1,2 mm'lik bir kılıfa benzer şekilde davranır ve ince duvarlara dayanmadan uzun hizmet ömrü elde etmek için alternatif bir yol sağlar. Yüksek artık gerilime sahip ince duvarlar ile tavlamalı kalın duvarlar arasındaki seçim üretim kapasitesine ve maliyete bağlıdır. Titreşimin mevcut olduğu ancak şiddetli olmadığı denizcilik uygulamalarının çoğunda, standart dövme ile 1,2–1,4 mm'lik duvar kalınlığı, özel işlem gerektirmeden güvenilir korozyon yorulma performansı sağlar.
