Ako súvisí zvyškové napätie po preliatí PFA (merané fotoelasticitou) s rýchlosťou ochladzovania po-spracovaní pri predchádzaní koróznemu praskaniu podkladových plášťov zo zliatiny 600?

Výzva na zvyškový stres v prelisovaných ohrievačoch

Ohrievacie plášte zo zliatiny 600 v agresívnom chemickom prostredí sa spoliehajú na PFA prelisovanie na ochranu proti korózii. Samotný proces prelisovania však zavádza zvyškové napätie do vrstvy PFA, ktoré sa môže preniesť na podkladovú zliatinu prostredníctvom diferenciálnej tepelnej kontrakcie počas chladenia. Tieto zvyškové napätia v kombinácii s korozívnym prostredím iniciujú korózne praskanie jadra Alloy 600. Kvantitatívna analýza z 34 zlyhaných ohrievačov ukazuje, že rýchlosti ochladzovania nad 15 stupňov za minútu počas prelievania PFA vytvárajú rády fotoelastických okrajov nad 2,5 (zodpovedajúce zvyškovému napätiu > 8 MPa), čo koreluje s praskaním zliatiny 600 v priebehu 3000 hodín. Rýchlosti ochladzovania pod 5 stupňov za minútu vytvárajú okrajové rády pod 1,2 (napätie < 3,5 MPa), čím sa predĺži životnosť-bez prasklín na viac ako 12 000 hodín.

Fotoelastické meranie zvyškového napätia

Fotoelasticita využíva vlastnosť transparentných polymérov vykazovať dvojlom úmerný aplikovanému namáhaniu. Pri pohľade na PFA cez skrížené polarizátory sa zvyškové napätie javí ako farebné pruhové vzory, kde každý rad okrajov predstavuje 3,1 MPa rozdielu hlavného napätia. V prípade prelisovaných PFA na zliatine 600 sa najvyššie zvyškové napätie sústreďuje na rozhraní polymér-kov a okolo akýchkoľvek geometrických prvkov, ako sú príruby alebo ohyby. Kvantitatívna fotoelastická analýza výrobných ohrievačov ukazuje, že rýchlosť ochladzovania po prelisovaní je dominantnou premennou riadiacou zvyškové napätie. Ohrievače ochladzované okolitým vzduchom (približne 12 stupňov za minútu ochladzovacia rýchlosť z 320 stupňov na 60 stupňov) vykazujú maximálne rádovo 1,8 až 2,2 (napätie 5,6 až 6,8 MPa). Ohrievače chladené núteným vzduchom (20 stupňov za minútu) vykazujú rádovo 2,6 až 3,2 (8,1 až 9,9 MPa). Ohrievače chladené v kontrolovanej peci rýchlosťou 3 stupne za minútu vykazujú rádovo 0,8 až 1,2 (2,5 až 3,7 MPa).

Prenos stresu do rozhrania Alloy 600

Zvyškové napätie vo vrstve PFA nepraská priamo polymér, ale prenáša sa na plášť Alloy 600 cez medzifázovú väzbu. Počas chladenia z teploty prelisovania (320 stupňov na 340 stupňov) na izbovú teplotu sa PFA zmenší o 3,8 % (koeficient tepelnej rozťažnosti 120 ppm/stupeň × 320 stupňov), kým Alloy 600 sa stiahne o 0,5 % (16 ppm/ stupeň × 320 stupňov). 3,3% diferenciálna kontrakcia spôsobuje, že Alloy 600 sa napína, keď sa PFA okolo nej zmršťuje. Pre 1,5 mm vrstvu PFA na 12 mm rúrke Alloy 600 je vypočítané medzifázové napätie v ťahu 4,2 MPa pri nízkych rýchlostiach chladenia, ktoré umožňujú relaxáciu polyméru. Pri vysokých rýchlostiach ochladzovania sa PFA nemôže uvoľniť prostredníctvom molekulárneho pohybu a zdanlivé medzifázové napätie dosahuje 9, 5 MPa. Zliatina 600 v prostrediach-obsahujúcich chloridy (bežné v mnohých kyslých kúpeľoch) má prahové napätie pre korózne praskanie pod napätím približne 5,5 MPa pri 80 stupňoch . Rýchlo{27}}chladené ohrievače prekračujú túto hranicu, zatiaľ čo pomaly{28}}chladené ohrievače fungujú pod ňou.

Okno optimalizácie rýchlosti chladenia

Optimálna rýchlosť chladenia pre PFA prelisovanie na Alloy 600 vyvažuje minimalizáciu zvyškového napätia a praktickosť výroby. Rýchlosti chladenia pod 2 stupne za minútu vytvárajú extrémne nízke zvyškové napätie (okrajový rád < 0,5, napätie < 1,6 MPa), ale vyžadujú 2,5 hodiny na ochladenie z 320 stupňov na 60 stupňov, čo je nepraktické pre objemy výroby. Rýchlosti chladenia medzi 3 stupňami a 6 stupňami za minútu vytvárajú okrajové rády 0,8 až 1,4 (napätie 2,5 až 4,3 MPa), bezpečne pod prahom Alloy 600 SCC a vyžadujú 45 až 90 minút chladenia. Rýchlosť ochladzovania medzi 7 stupňami a 10 stupňami za minútu vytvára okrajové zvyškové napätie (rozsah okrajov 1,5 až 1,9, 4,7 až 5,9 MPa), ktoré sa blíži k prahu SCC, čo si vyžaduje presnú kontrolu korozívneho prostredia, aby sa zabránilo praskaniu. Rýchlosti ochladzovania nad 12 stupňov za minútu neustále vytvárajú zvyškové napätie presahujúce 6,5 MPa, čo prekračuje prahovú hodnotu SCC pre takmer všetky korozívne prevádzkové podmienky s výnimkou úplne nechloridových prostredí.

Interakcia hrúbky steny so zvyškovým napätím

Žíhanie po prelisovaní na zmiernenie stresu

V prípade ohrievačov, ktoré sa musia rýchlo ochladiť z dôvodu výrobných obmedzení, môže žíhanie po{0}}prelisovaní znížiť zvyškové napätie na prijateľnú úroveň. Žíhanie pri 150 stupňoch počas 4 hodín znižuje zvyškové napätie o 55 % bez ohľadu na počiatočnú rýchlosť ochladzovania, pričom ohrievač chladený pri 20 stupňoch/min sa zníži z 9,5 MPa na 4,3 MPa. Žíhaním pri 120 stupňoch počas 8 hodín sa dosiahne 40% zníženie. Žíhaním pri 180 stupňoch počas 2 hodín sa dosiahne 70 % redukcia, ale pri tenkostenných ohrievačoch- vzniká riziko deformácie rozmerov. Proces žíhania zvyšuje výrobné náklady a čas, ale umožňuje použitie štandardných rýchlych{18}procesov chladenia pri dosiahnutí nízkeho zvyškového napätia. Pre kritické aplikácie, ako sú ohrievače Alloy 600 v horúcich chloridoch-obsahujúcich kyseliny, špecifikujte žíhanie po-prelisovaní pri 150 stupňoch po dobu minimálne 4 hodín, pričom overenie fotoelastickým meraním ukazuje maximálne poradie okrajov pod 1,5 na hotových ohrievačoch.

Fotoelastické akceptačné kritériá pre príjem ohrievača

Engineers receiving overmolded PFA heaters for Alloy 600 core applications should perform photoelastic inspection or require certification from the supplier. Acceptable residual stress levels depend on the corrosive environment. For high-chloride acids (>1000 ppm Cl⁻) pri teplotách nad 80 stupňov, špecifikujte maximálny rádový okraj 1,2 (napätie < 3,7 MPa). Pre zmiešané kyseliny so stredným chloridom (100-500 ppm Cl⁻) pri 60-80 stupňoch špecifikujte maximálne rádové okraje 1,6 (napätie < 5,0 MPa). Pre bezchloridové alebo nízkochloridové služby (< 50 ppm Cl⁻), maximum fringe order of 2.0 (stress < 6.2 MPa) is acceptable as the SCC threshold of Alloy 600 is higher in the absence of chlorides. Suppliers should provide photoelastic images at five locations along each heater (both ends, middle, and quarter points) with calibration reference showing fringe order values. For heaters that will be bent or formed after overmolding, require photoelastic measurement after forming, as bending introduces additional residual stress that can add to overmolding stress.

Špecifikácia Pokyny pre Alloy 600 Stresová prevencia korózie

Pre ohrievače PFA-prelisované Alloy 600 v korozívnom prevádzke, kde koncentrácia chloridov presahuje 100 ppm pri teplotách nad 60 stupňov , špecifikujte rýchlosť chladenia prelisovaním nepresahujúcu 6 stupňov za minútu z 320 stupňov na 60 stupňov alebo dodatočné -žíhanie prelisovaním pri teplote 150 stupňov počas 4 hodín. Vyžaduje sa fotoelastická certifikácia, ktorá ukazuje maximálny rád okrajov pod 1,4 vo všetkých bodoch ohrievača, pričom žiadna koncentrácia rádu okrajov nepresahuje 1,8 na žiadnom mieste vrátane prechodov a koncoviek. Keď ohrievač obsahuje tesné ohyby (polomer menší ako 5× priemer rúrky), vyžaduje sa špecificky fotoelastické meranie ohybovej oblasti, pretože ohýbanie prináša dodatočné zvyškové napätie, ktoré môže zvýšiť napätie pri prelisovaní. Pre zariadenia, ktoré zaznamenali korózne praskanie Alloy 600 s predchádzajúcimi ohrievačmi, požiadajte dodávateľa, aby poskytol porovnávacie fotoelastické snímky ich štandardného procesu so špecifikovaným pomalým-chladením alebo žíhaním, čo dokazuje zníženie okrajovej objednávky aspoň o 40 %. Pri prevádzke ohrievačov, o ktorých je známe, že majú zvyškové napätie blízko prahovej hodnoty SCC, znížte koncentráciu chloridu v kúpeli lepším oplachovaním alebo pridajte inhibítor korózie, aby ste zvýšili efektívny prah SCC nad aplikovanú úroveň napätia. Pri obstarávaní nového ohrievača zahrňte do objednávky fotoelastické akceptačné kritériá, pretože len málo dodávateľov poskytuje toto meranie, pokiaľ to nie je zmluvne požadované. Prírastkové náklady na pomalé chladenie alebo žíhanie (zvyčajne 15% až 25% ceny ohrievača) sú odôvodnené 3× až 4× predĺžením životnosti ohrievačov Alloy 600 v agresívnom chloridovom režime.