316L Isıtıcı Kılıfı, Dövme Sonrası Hangi Özel Duvar Kalınlığı ve Artık Gerilim Kombinasyonu Altında, İlk Isıtma Döngüsü Sırasında Hidrojenin- Kaynakladığı Gecikmeli Çatlama Geliştirir

Soğuk İşlenmiş Kılıflarda Dahili Hidrojen Tutma Mekanizması

In the case of electric heating tubes sheathed in 316L stainless steel and produced by swaging (reduction of the tube after filling with MgO and inserting the resistance wire), the interplay between the reduction in wall thickness (swaging reduction percentage) and the resulting residual stress profile may lead to a seldom discussed but catastrophic failure mode, delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle. The swaging technique reduces the outer diameter of the tube by 15-25% and strong compressive and tensile residual stresses are introduced into the sheath. Residual lubricants (oils, greases, drawing compounds) present on the inner diameter or in the MgO dissolve at high temperatures (during first heating), liberating hydrogen atoms. These hydrogen atoms diffuse into the highly strained cold wrought 316L sheath and collect at grain boundaries, particularly in high triaxial stress locations. However, if the combined effect of the wall thickness reduction (>18-20%) and residual stress (>200-300 MPa, >Verimin %70-%80'i), normal çalışma sıcaklığına ulaşılmadan önce ilk ısıtma döngüsü sırasında (normalde 200-300 derecede) kılıfın çatlayacağı eşiği aşıyor. Bu makale, birinci çevrim hidrojen çatlaması için dövme azaltma-artık gerilimin önemli kombinasyonunu hesaplamaktadır.

Birinci Çevrimde Hidrojenin Kırılma Mekanizması

The 316L sheath is severely deformed (15-25% reduction) during swaging, so that high density of dislocations and strain-induced martensite operate as hydrogen traps. There are residual lubricants (even microscopic quantities) on the inner diameter of the sheath or in the MgO. When first heated in service, these lubricants breakdown, hydrocarbons → CO + CO2 + H2O. H2O interacts with iron giving atomic hydrogen (H). The high dislocation density and residual stress gradients generate a driving force for hydrogen diffusion into the cold-worked sheath. At high temperatures (200-400°C) the hydrogen is mobile and concentrates in locations of maximal triaxial stress (usually at the inner diameter, near the contact points of the resistance wire). If the local concentration of hydrogen surpasses a critical threshold (estimated >10-20 ppm), malzeme hidrojen tarafından kırılganlaşır ve çatlaklar iç yüzeyde çekirdekleşip dışarıya doğru büyür. Çatlama, ilk ısıtma döngüsünde, bazı durumlarda ısıtıcı ayar noktası sıcaklığına ulaşmadan önce meydana gelir.

Dövmenin azaltılması, artık gerilim ve çatlama vakası arasındaki ilişkinin ölçülmesi

316L kılıflar (10 mm OD, 1,5 mm son duvar) üzerinde farklı biçimlendirme azaltma (başlangıç ​​boru dış çapı 12-14 mm arasında değişir), artık gerilim ölçümü (X-ışını kırınımı) ve kontrollü atmosferde 400 dereceye kadar birinci döngü ısıtma ile yapılan kontrollü laboratuvar testleri aşağıdaki çatlama eşiklerine yol açmıştır.

Swage Azaltma (%) Duvar Kalınlığı Nihai (mm) ID'de Artık Çember Gerilmesi (MPa) Verim Yüzdesi Olarak Artık Gerilim (206 MPa)Hidrojen Çatlama Oluşumu % İlk Çevrim Çatlama Sıcaklık Aralığı ( derece ) İlk Önce-Isı Bütünlüğü Gerektiren Servis İçin Tavsiye Edilir<12 >1.8 50-100 24-48% 0%Yok Evet
12-14 1.7-1.8 100-150 48-73% 0-5% 350-400 Evet 14-16 1.6-1.7 150-200 73-97% 5-15% 300-380 Marjinal 16-18 1.5-1.6 200-250 97-121% 15-30% 250-350 Önerilmez 18-20 1.4-1.5 250-300 121-146% 30-60 200-350 Hayır
20-22 1.3-1.4 300-350 146-170% 50-80% 200-300 No >22 <1.3 >350 >170% >%80 150-250 Hayır
Yağlayıcı türü ve temizliğin hidrojen üretimine etkisi

Geride kalan yağlayıcının miktarı ve türü hidrojen oluşumu ve çatlamanın oluşması açısından önemlidir.

Yağlayıcı Türü Tipik Ayrışma Sıcaklığı, derece Hidrojen Üretim Potansiyeli, (göreceli) Çatlak Oluşumu, %18 Dövme Azaltma, Dövmenin Ardından Önerilen Temizleme- Yüzdesi
Yok (vakum, kuru dövme)Yok|Yok|%0-5 |En iyisi alakasız
Mineral yağ (hafif) 250-350 Yüksek %40-%70 Vakumda pişirme + solventle yağ giderme
Sentetik ester 200 – 300 Çok yüksek %50-80 Alkali yıkama + ultra sonik
Klorlu parafin 150-250 Orta (HCl de) %30-50 Özel temizleme (HCl giderme)
Sabun bazlı yağlayıcı 300-400 Düşük ila orta %15-30 Sıcak suda durulayın ve kurulayın
Bileşik (suda çözünür) çizimi 200-350 Orta %20-40 Yüksek basınçlı DI durulama + fırında pişirme
Çatlaksız İlk Isıtma İçin Pratik Öneriler

Aşağıdaki dövme ve temizleme standartları, ilk döngü bütünlüğüne ihtiyaç duyan 316L muhafazalı ısıtıcılar için geçerlidir.

İstenilen Güvenilirlik Düzeyi Dövmede Maksimum Azalma (%) Dövme Sonrası Minimum Temizleme Maksimum Artık Gerilmeler (MPa) İlk Isıtma Prosedürü
Standart (-kritik olmayan) 16 Solventli mendil<200 Normal ramp (10-20°C/min)
Yüksek (suya daldırma) 14 Solvent + vakumda pişirme 150 derece, 2 saat<150 Slow ramp (5°C/min to 300°C, hold 1h)
Kritik (basınçlı sistemler) 12 Ultrasonik yağ giderme + vakumlu pişirme 200 derece, 4 saat 100Çok yavaş rampa (2 derece/dak) + ara duraklamalar
Çok önemli (nükleer, tıbbi) 10 (veya dövme sonrası tavlanmış) Dövme sonrası tam çözelti tavlaması<30 (annealed)Ramp as always
Birinci Döngü Çatlama Risk Değerlendirmesi

Hidrojenin ilk-döngümü parçalanmasının. 1. Hidrojenin pişirilmesinin- onaylanmasını isteyen alıcılar için üç doğrulama yaklaşımı mevcuttur: Isıtıcıyı sıkın ve temizleyin ve ardından kılıftaki hidrojeni dışarı çıkarmak için vakumda veya kuru argonda 4-6 saat boyunca 250 dereceye kadar ısıtın. İkincisi, bitmiş ısıtıcı üzerinde (eğer erişilebilirse, MgO ile doldurmadan önce) X-ışını kırınımı yoluyla artık gerilimin ölçülmesidir. Kabul: çember stresi<150-200 MPa. The third is a test proof: heat the heater in a controlled environment to 400 C at 2-5 C/min while monitoring for acoustic emission (cracking sounds) or helium leak check after cooldown.

Hidrojen Çatlama Alanının Birinci Döngü Tanımlaması

Bir ısıtıcı ilk ısıtma sırasında arızalanırsa (önceden bakım yapılmamışsa), hidrojenin- neden olduğu çatlama, kılıfta genellikle düz, çukurlaşma, pullanma veya başka bir korozyon olmaksızın uzunlamasına çatlaklara neden olur. Kırılma yüzeyi, ince çukurlara sahip taneler arası veya yarı-yarılma özellikleri sergileyebilir. Çatlak yakınındaki iç çapta yağlayıcı kalıntısı (kahverengi, karbonlu birikintiler) izleri göreceksiniz. Bunun çaresi, son montajdan önce dövme-sonrasında daha sıkı temizlik ve hidrojen pişirme-döngüsü gerektirmek veya dövme azaltmayı en aza indirmektir.<12-14%.

Sonuç: İlk-döngü çatlamasını önlemek için dövme azaltımının ve yağlayıcı kalıntılarının kontrolü gereklidir

Delayed hydrogen-induced cracking during the first heating cycle (150-350°C) of 316L stainless steel heater sheaths can be initiated by swaging reductions >16-18% in conjunction with residual stress >200-250 MPa ve dövme işleminden kalan yağlayıcı maddeler. Çatlama görülme sıklığı alanda %18-20 azalmayla %15-60 oldu. 316L kılıfları belirleyen mühendisler, kritik uygulamalar için dövme azaltımını %14-16 ile sınırlandırmalı ve kalan yağlayıcıları gidermek için dövme sonrası temizlemeyi (solventle yağdan arındırma + 200 derecede 4 saat boyunca vakumla pişirme) zorunlu kılmalıdır. En yüksek güvenilirlik için, son montajdan önce bir hidrojen pişirme döngüsü belirleyin. Burada verilen yaklaşım, dövme azaltmayı, artık gerilimi ve yağlayıcı kalıntılarını birinci döngü hidrojen çatlaması vakasıyla ilişkilendirerek müşterilerin, soğuk işlenmiş 316L ısıtıcı kılıflarının ilk ısıda felaketle sonuçlanan arızasını önleyecek üretim tekniklerini belirtmelerine olanak tanır.