Korozja naprężeniowa chlorkowa w drucie sprężynowym 316: Dlaczego sprężyny pękają bez ostrzeżenia

Sprężyna ze stali nierdzewnej 316, która pęka w hali basenowej lub zakładzie przybrzeżnym, zazwyczaj nie wykazuje zwężenia, zgięcia ani widocznego ostrzeżenia. W wielu przypadkach drut spełniał wymagania dotyczące składu chemicznego i wytrzymałości na rozciąganie. Mechanizmem awarii jest korozja naprężeniowa chlorkowa, która zależy od środowiska pracy w takim samym stopniu, jak od stopu.

Trzy warunki, które muszą wystąpić jednocześnie

SCC nie jest procesem ogólnej korozji. Wymaga podatnego stopu, stałego naprężenia rozciągającego i elektrolitu zawierającego chlorki, wszystko w tym samym punkcie części przez wystarczająco długi czas.

• Podatny stop. Austenickie gatunki 304 i 316 są podatne; 316 lepiej opiera się punktowemu korozji dzięki molibdenowi, który opóźnia inicjację pęknięć, ale nie eliminuje ryzyka.
• Stałe naprężenie rozciągające. W przeciwieństwie do zmęczenia, SCC nie wymaga cykliczności. Wystarczające jest stałe obciążenie, a próg może znajdować się znacznie poniżej granicy plastyczności.
• Elektrolit chlorkowy. Chlorek sodu z powietrza przybrzeżnego, podchloryn z dezynfekcji, środki do odkamieniania kwasem solnym i strumienie procesowe zawierające chlorki kwalifikują się. Tlen i podwyższona temperatura przyspieszają reakcję.

Dlaczego sprężyny są bardziej narażone niż części płaskie

Sprężyna jest zaprojektowana do przenoszenia naprężeń. W sprężonej cewce przekrój drutu pracuje z wysokim ułamkiem granicy plastyczności, a zimne nawijanie pozostawia resztkowe naprężenia rozciągające na zewnętrznej stronie każdego zwoju. Te dwa czynniki sumują się.

Geometria pogarsza sprawę. Haki, pętle, zwoje końcowe i punkty przecięcia koncentrują naprężenia i jednocześnie tworzą szczeliny, w których roztwór chlorkowy osadza się i koncentruje w miarę parowania wody. Na drucie o średnicy 0,8 mm wżer o głębokości 50 mikronów stanowi już znaczną część przekroju, więc punktowe korozja szybko przeradza się w pęknięcie.

Najpierw wżer, potem pęknięcie

Pękanie prawie nigdy nie zaczyna się na czystej, pasywnej powierzchni. Jony chlorkowe lokalnie niszczą film pasywny, rozwija się wżer, a wnętrze wżeru staje się pozbawione tlenu i kwaśne, z wyższym stężeniem chlorków niż w roztworze masowym. Ta lokalna chemia inicjuje pęknięcie, które następnie rośnie transkrystalicznie i rozgałęzia się, podążając za polem naprężeń.

Powierzchnia złamania jest najłatwiejszym polem diagnostycznym: kruche wygląd, brak wargi ścinającej, brak redukcji średnicy i rozgałęzienia pęknięć w przybliżeniu prostopadłe do głównego naprężenia. Złamanie przeciążeniowe tego samego drutu wykazuje zwężenie i matową, włóknistą strefę przed ostatecznym zerwaniem.

Temperatura i stężenie są lokalne, nie średnie

Opublikowane wytyczne dla austenitycznych stali nierdzewnych umieszczają praktyczny próg SCC w natlenionym środowisku chlorkowym około 60°C. Ta liczba jest użytecznym punktem wyjścia, a nie licencją: istotna jest temperatura i stężenie chlorków w szczelinie lub pod osadem, a nie w powietrzu lub wodzie masowej.

Typowe sytuacje, w których warunki lokalne znacznie wyprzedzają zmierzone: kondensat kapiący z sufitu hali basenowej na wieszaki, izolacja, która pozostaje mokra od wody zawierającej chlorki, uszczelki i gumowe podkładki, które zatrzymują roztwór przy drucie, oraz części czyszczone podchlorynem i nie spłukiwane.

Wybór gatunku w zależności od warunków pracy

Zmiana gatunku jest najpewniejszym rozwiązaniem, gdy środowiska nie można kontrolować, ale nie jest jedynym. Kontrola naprężeń często decyduje o tym, czy część 316 przetrwa marginalne środowisko.

Naprężenia i kontrola projektowa

• Utrzymuj naprężenie projektowe tak niskie, jak pozwala na to funkcja; niższe naprężenie robocze kupuje czas przed osiągnięciem progu.
• Odprężanie po nawinięciu. Dla 316, trzymać w temperaturze 400 - 450°C i powoli chłodzić, unikając zakresu 450 - 850°C powodującego uczulenie; 316L toleruje to okno z większym marginesem.
• Śrutowanie krytycznych powierzchni w celu przekształcenia resztkowego napięcia w ściskanie; jest to jeden z niewielu zabiegów, które działają przeciwko SCC, a nie wokół niego.
• Projektowanie pod kątem odprowadzania wody. Zwoje końcowe tworzące kielich zatrzymujący wodę są inicjatorem pęknięć, a nie szczegółem.
• Unikać mokrej izolacji i zatrzymujących się uszczelek; oba tworzą skoncentrowane warunki chlorkowe, których środowisko masowe nigdy nie pokazuje.
• Zakazać środków czyszczących zawierających podchloryn na zainstalowanych częściach lub określić pełne płukanie wodą demineralizowaną natychmiast po użyciu.

Specyfikacja drutu

Weryfikacja i analiza awarii

ASTM G36, wrzący chlorek magnezu, jest klasycznym testem przyspieszonym do klasyfikacji gatunków austenitycznych pod kątem SCC; ASTM G48 obejmuje odporność na punktowe korozję i korozję szczelinową w chlorku żelazowym. Oba są testami porównawczymi, a nie prognozą żywotności. Gdy sprężyna już uległa awarii, przekrój pęknięcia, sprawdź rozgałęzienia i obecność wżeru u jego początku, i porównaj wygląd złamania z próbką przeciążeniową przed zmianą materiału.

Większość awarii sprężyn 316 w środowisku chlorkowym nie wynika z wadliwej partii. Jest to prawidłowy stop użyty na poziomie naprężeń i w geometrii, którą środowisko mogło zaatakować.