כיצד משפיע עובי הקיר של מעטפת נירוסטה 316 על התפלגות המתח הנותרים לאחר חלוקה והשפעתה על חיי עייפות קורוזיה בסביבות ימיות?

עבור מהנדסים ימיים המציינים מחממי טבילה חשמליים עבור פלטפורמות ימיות, מערכות ספינה ומפעלי תעשייה לאורך החוף, השילוב של העמסה מכנית מחזורית וקורוזיה כלורית יוצר מנגנון כשל אגרסיבי במיוחד המכונה עייפות קורוזיה. שלא כמו עייפות טהורה באוויר או קורוזיה טהורה בתנאים סטטיים, עייפות קורוזיה מייצרת התחלת סדקים באמפליטודות מתח נמוכות משמעותית וחיי מחזור קצרים יותר. הלחצים השיוריים שהוכנסו במהלך תהליך ההחלקה-המשמשים לדחיסת בידוד מגנזיום תחמוצת סביב חוט ההתנגדות-מתקשרים עם מתחי השירות כדי להאיץ או לעכב את צמיחת הסדקים בהתאם לסימן ולגודל שלהם. מאמר זה מכמת כיצד עובי הדופן של מעטפת נירוסטה 316 משפיע על התפלגות הלחץ השיורית לאחר הנחתה וכיצד הלחצים השיוריים הללו משנים את חיי עייפות קורוזיה בסביבות ימיות.

יצירת מתח שארית במהלך הנחת 316 נדן

כאשר צינור פלדת אל-חלד 316 מחודד מקוטר גדול יותר לקוטר קטן יותר סביב הליבה המלאה ב-MgO-, התהליך משרה דפוס מאמץ שיורי אופייני. המשטח החיצוני של המעטפת חווה מתחים שיוריים דחיסים מכיוון שחומרי ההחלקה פוגעים בחומר פנימה, בעוד שהמשטח הפנימי חווה מתח שיורי מתיחה כאשר ה-MgO הדחוס דוחף החוצה במהלך קפיצה אלסטית. גודל הלחצים השיוריים הללו תלוי בעובי הדופן ביחס להפחתת הקוטר. עבור מעטה-דקה דופן-מתחת ל-1.0 מ"מ-חודר כוח העיפון כמעט לכל עובי הדופן, ויוצר מתחי לחיצה גבוהים על פני השטח החיצוניים (בדרך כלל -200 עד -300 MPa) ומתח מתיחה פנימי מתון ב-{{11} MPa ({11}). עבור נדן עבה-דופן-מעל 1.8 מ"מ-כוח הניפוח נספג בעיקר בשכבות החיצוניות, מה שיוצר מתחי לחיצה גבוהים רק ליד המשטח החיצוני תוך השארת השכבות הפנימיות לא מושפעות יחסית. מתחי המתיחה על פני השטח הפנימיים נמוכים גם הם מכיוון שדחיסת MgO פחות מלאה, כפי שנדון בסעיף 12. מדידות עקיפה של קרני רנטגן של מתח שיורי במעטפת 316 עטיפות מאשרות קשר זה. מעטפת קיר בגודל 0.9 מ"מ הראתה מתח לחיצה על פני השטח של -280 MPa. מעטפת קיר 1.5 מ"מ הראתה -180 MPa. מעטפת קיר 2.0 מ"מ הראתה רק -120 MPa. הנדן הדק יותר אוגר לחץ דחיסה מועיל יותר על פני השטח החיצוניים - המיקום שבו בדרך כלל מתחילים סדקי עייפות קורוזיה.

כיצד שארית מתח דחיסה מעכבת תחילת סדקים של עייפות קורוזיה

התחלת סדקים של עייפות קורוזיה בנירוסטה 316 דורשת הן מתח מתיחה מחזורי והן אלקטרוליט קורוזיבי המכיל כלורידים. הסדק מתחיל בבור משטח או תכליל שבו הסרט הפסיבי המגן התקלקל. אם המשטח נמצא במצב של לחץ לחיצה שיורי, מתח המתיחה המחזורי המופעל חייב קודם כל להתגבר על דחיסה זו לפני שהחומר חווה מתח נטו בקצה הסדק. זה מעלה ביעילות את מתח הסף לתחילת הסדק. עבור מעטפת 0.9 מ"מ 316 עם -דחיסה שארית משטח של 280 MPa, מתח מחזורי מופעל של +200 MPa מייצר רק -80 MPa נטו על פני השטח עדיין דחוס ואינו מסוגל להתחיל סדק עייפות. רק כאשר המתח המחזורי המופעל עולה על +280 MPa, פני השטח חווה מתח נטו. לעומת זאת, מעטפת של 2.0 מ"מ עם דחיסה של משטח -120 MPa בלבד חווה מתח נטו כאשר הלחץ המופעל חורג מ-+120 MPa, סף נמוך בהרבה. בדיקת עייפות קורוזיה במי ים סינתטיים ב-60°C מאשרת השפעה זו. דגימות עם עובי דופן של 0.9 מ"מ ודחיסה שיורית גבוהה שרדו 10 מיליון מחזורים ב-250 MPa שהופעלו מתח לסירוגין ללא התחלת סדק. דגימות עם עובי דופן של 2.0 מ"מ ודחיסה שיורית נמוכה נכשלו לאחר 2 מיליון מחזורים באותו מתח מופעל. הנדן הדק יותר סיפק חיי עייפות קורוזיה ארוכים פי חמישה למרות עובי הדופן המוחלט פחות.

ההחלפה-בין יתרון מתח שיורי לבין מרווח עובי קיר

יתרון עייפות הקורוזיה של מעטפות דפנות- חייב להיות מאוזן מול השוליים המופחתים של החומר ברגע שסדק אכן מתחיל. מעטפת 0.9 מ"מ עם דחיסה שיורית גבוהה עשויה להתנגד להתחלת סדקים במשך מיליוני מחזורים. עם זאת, ברגע שסדק מתגבר על שדה הלחץ השיורי-לדוגמה, עקב בור משטח גדול או עומס יתר חולף-הוא חייב להתפשט רק דרך 0.9 מ"מ של חומר לפני ניקוב. מעטפת של 2.0 מ"מ עם דחיסה שיורית נמוכה יותר עשויה ליזום סדק לאחר פחות מחזורים, אך הסדק חייב לעבור דרך 2.0 מ"מ כדי לגרום לכשל. סך החיים עד לכישלון הוא הסכום של חיי החניכה וחיי ההתפשטות. נתונים ניסיוניים מבדיקות עייפות קורוזיה של קרן מסתובבת במי ים של 60°C מראים את המחזורים הכוללים הבאים עד לכישלון עבור מעטפות OD 316 של 10 מ"מ במתח מתח חילופי של 200 MPa. נדן של 0.8 מ"מ השיג 12 מיליון מחזורים בסך הכל (11.5 מיליון התחלות, 0.5 מיליון התפשטות). נדן של 1.2 מ"מ השיג 8 מיליון מחזורים (7 מיליון התחלות, מיליון התפשטות). נדן של 1.6 מ"מ השיג 5 מיליון מחזורים (3 מיליון התחלות, 2 מיליון התפשטות). נדן של 2.0 מ"מ השיג 3.5 מיליון מחזורים (1.5 מיליון התחלות, 2 מיליון התפשטות). המעטפת הדק-הדופן עם דחיסה שיורית גבוהה מספקת את החיים הכוללים הארוכים ביותר למרות שולי ההתפשטות המינימליים שלו.

מטריצת בחירת חיים של עייפות קורוזיה עבור סביבות ימיות

הטבלה הבאה מספקת עובי דופן מומלץ של 316 עבור מחממי טבילה חשמליים בסביבות ימיות בהתבסס על משרעת מתח מחזורית צפויה וחיי שירות נדרשים. הערכים מניחים חשיפה מתמשכת למי ים או למים מליחים בטמפרטורה של 30-60 מעלות צלזיוס ותהליכי חלוקה סטנדרטיים ללא חישול לאחר-.

עבור יישומים שבהם מתחים מחזוריים נובעים מרטט, מחזורי התפשטות תרמית או תנודות לחץ, מדידה או אומדן של משרעת הלחץ חיונית. אם המדידה בלתי אפשרית, הנחה של רמת מתח מתונה של 100 MPa היא ברירת מחדל שמרנית. במקרים כאלה, עובי דופן של 1.2 מ"מ מציע את האיזון הטוב ביותר בין תועלת מתח שיורית ושולי התפשטות. המהנדסים צריכים גם לשקול לציין חישול לאחר-חישול עבור כיסויי דופן עבים- המיועדים ליישומי מחזור- גבוהים. חישול ב-1,050 מעלות צלזיוס מסיר לחלוטין מתחים שיוריים, מבטל את היתרון של עייפות קורוזיה של קירות דקים, אך גם מבטל את מתחי המתיחה השיוריים במשטח הפנימי שיכולים לתרום להתפשטות הסדקים. מעטפת מחושלת של 1.6 מ"מ מתנהגת בדומה למעטפת שאינה- מחושלת של 1.2 מ"מ מבחינת חיי העייפות הכוללת, ומספקת נתיב חלופי להשגת חיי שירות ארוכים מבלי להסתמך על קירות דקים. הבחירה בין קירות דקים עם מתח שיורי גבוה לבין קירות עבים עם חישול תלויה ביכולות הייצור ובעלות. עבור רוב היישומים הימיים שבהם רטט קיים אך אינו חמור, עובי דופן של 1.2-1.4 מ"מ עם הנחתה סטנדרטית מספק ביצועי עייפות קורוזיה אמינים ללא צורך בעיבוד מיוחד.