316 스테인리스강 외피 벽 두께는 스웨이징 후 잔류 응력 분포와 해양 환경의 부식 피로 수명에 어떤 영향을 미칩니까?

부식 피로는 주기적인 기계적 부하와 염화물 부식이 결합될 때 해양 플랫폼, 선상 시스템 및 연안 산업 플랜트용 해양 엔지니어가 지정한 전기 침수식 히터의 특히 공격적인 고장 메커니즘입니다. 부식 피로는 공기 중 순수 피로 또는 정적 환경의 순수 부식보다 훨씬 낮은 응력 진폭과 짧은 주기 수명에서 균열이 시작됩니다. 스웨이징(저항선 주위의 산화마그네슘 절연체를 압축하는)에 의해 생성된 잔류 응력은 서비스 응력과 상호 작용하고 그 징후와 크기에 따라 파손 형성을 가속화하거나 지연시킵니다. 이 기사에서는 스웨이징 후 잔류 응력 분포에 대한 외장 벽 두께의 영향과 이러한 잔류 응력이 해양 환경의 부식 피로 수명에 미치는 영향을 정량화합니다.

316 Sheath 스웨이징 시 잔류응력 발생
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1.8 mm) 스웨이징 힘은 대부분 외부 레이어에서 흡수되고 큰 압축 응력은 외부 표면 근처에서만 생성되며 내부 레이어는 상대적으로 영향을 받지 않습니다. MgO의 덜 완전한 압축으로 인해 내부 표면의 인장 응력도 감소합니다. 스웨이지 316 보호관의 잔류 응력에 대한 X-선 회절 연구는 이러한 상관 관계를 검증합니다. 0.9mm 벽 외장의 경우 표면 압축 응력은 -280MPa입니다. 1.5mm 벽 외장은 -180MPa. 2.0 mm 벽 외장이 -120MPa에 불과했습니다. 피복이 얇을수록 일반적으로 부식 피로 균열이 형성되는 외부 표면에서 더 유리한 압축 응력을 갖습니다.

부식 피로 균열 발생을 지연시키는 잔류 압축 응력의 역할
반복적인 인장 응력과 염화물을 함유한 부식성 전해질은 316 스테인리스강에서 부식 피로 파괴 시작을 유발합니다. 균열은 수동 보호 코팅이 실패한 표면 구덩이 또는 함유물에서 시작됩니다. 잔류 압축 응력 상태가 표면에 존재하는 경우, 적용된 반복 인장 응력은 균열 선단에서 순 장력을 생성하기 위해 이 압축을 극복해야 합니다. 이는 균열을 시작하는 데 필요한 응력 수준을 크게 증가시킵니다. 표면 잔류 압축이 -280 MPa이고 적용된 반복 응력이 +200 MPa인 경우 표면의 순은 -80 MPa입니다. 이것은 여전히 ​​​​압축적이며 피로 균열을 일으킬 수 없습니다. 순 장력은 순환 응력이 +280 MPa를 초과하는 경우에만 존재합니다. 이에 비해 표면 압축이 -120MPa에 불과한 2.0mm 외장은 적용된 응력이 훨씬 낮은 임계값인 +120 MPa보다 클 때 순 장력 상태에 있습니다. 60°C의 합성 해수에 대한 부식 피로 테스트를 통해 이 효과가 검증되었습니다. 벽 두께가 0.9mm이고 상당한 잔류 압축이 있는 샘플은 균열 시작 없이 교번 응력을 가한 250MPa에서 1천만 주기를 유지했습니다. 동일한 적용 하중에서 잔류 압축이 거의 없고 벽 두께가 2.0mm인 샘플은 200만 주기 후에 파손되었습니다. 얇은 피복으로 인해 절대 벽 두께가 감소함에도 불구하고 부식 피로 수명이 5배 더 길어졌습니다.

-잔류 응력 이점과 벽 두께 여유 사이의 절충
벽이 얇은{0}} 외장은 부식 피로에 이점이 있지만 균열이 시작될 경우 재료 마진이 낮아지는 것과 균형을 이루어야 합니다. 상당한 잔류 압축이 있는 0.9mm 피복은 수백만 주기 동안 균열 시작을 견딜 수 있습니다. 그러나 큰 표면 구멍이나 일시적인 과부하로 인해 잔류 응력 장을 극복한 균열은 천공 전에 전파될 재료가 0.9mm에 불과합니다. 잔류 압축이 적은 2.0mm 외장은 더 적은 주기로 균열을 유발할 수 있지만 파손을 일으키려면 균열이 2.0mm 전파되어야 합니다. 총 파손 수명=개시 수명 + 전파 수명 회전 빔 장치에서 60°C 염수에서의 부식 피로 테스트는 200MPa 교번 응력에서 10mm 외경 316 보호관에 대해 다음과 같은 총 파손 주기를 제공합니다. 0.8mm 피복은 총 1,200만 주기(개시 1,150만 주기, 전파 50만 주기)를 달성했습니다. 1.2mm 피복은 800만 주기(개시 700만 회, 전파 100만 회)를 견뎌냈습니다. 1.6mm 피복은 500만 주기(개시 300만 회, 전파 200만 회)를 견뎌냈습니다. 2.0mm 피복은 350만 주기 동안 작동되었으며, 그 중 150만 주기는 개시용이고 200만 주기는 전파용이었습니다. 벽이 얇은- 외장은 전파 마진이 작음에도 불구하고 잔류 압축이 가장 높고 전체 수명이 가장 깁니다.

해양 환경 부식 피로 수명 선택 매트릭스
다음 표는 추정된 주기 응력 진폭과 필요한 서비스 수명에 따라 해양 서비스에 사용되는 전기 투입형 히터에 권장되는 외장 벽 두께를 보여줍니다. 이 값은 30~60°C의 해수 또는 기수에 대한 지속적인 노출과 스웨이지 후 어닐링이 없는 일반적인 스웨이징 기술에 대한 것입니다.-

예상되는 반복 응력 진폭 필요한 서비스 수명 권장 316 외피 벽 두께 주요 고장 모드 설계 이론적 근거
낮음, 50 MPa 미만 10년 이상 1.2 – 1.6 mm 틈새 부식 부식 허용량에 따른 두께, 잔류 응력 이점이 덜 중요함
보통, 50 – 150 MPa 5 – 10년 1.0 – 1.2 mm 부식 피로 시작얇은 벽이 높은 잔류 압축을 제공하여 균열을 방지합니다.
보통, 50 ~ 150 Mpa10년 이상 1.4 ~ 1.6mm(후-스웨지 어닐링 포함) 원본으로부터의 전파 어닐링은 잔류 응력의 이점을 줄입니다. 두께 여백 사용
높음, 150 – 250 MPa 3 – 5년 0.8 – 1.0 mm 부식 피로 개시짧은 사용 수명을 수용, 최대 잔류 압축 필수
High, 150 – 250 MPa>5년316 불가능과부하 또는 빠른 균열 Incoloy 825 또는 티타늄으로 교체
과충전이 많은 변수모든 서비스 수명 1.6~2.0mm 전파. 예상치 못한 균열 이후 두께 마진은 예상치 못한 사건으로부터 보호합니다.
진동, 열팽창 주기 또는 압력 변화로 인해 주기적 응력이 유발되는 응용 분야에서는 응력 진폭을 측정하거나 추정할 수 있는 것이 중요합니다. 측정이 없는 경우 100MPa의 적당한 응력 수준이 신중한 기본값입니다. 이러한 경우 1.2mm의 벽 두께는 잔류 응력의 장점과 전파 여유 사이에서 최적의 절충안을 제공합니다. 엔지니어는 또한 높은 주기의 응용 분야에 사용되는 두꺼운- 외장에 대해 -철물 후 어닐링을 권장하는 것을 고려해야 합니다.- 1050도에서의 어닐링은 잔류 응력을 완전히 제거하여 얇은 벽의 부식 피로 이점을 제공할 뿐만 아니라 파괴 전파로 이어질 수 있는 내부 표면의 인장 잔류 응력도 제거합니다. 어닐링된 1.6mm 외장은 -어닐링되지 않은 1.2mm 외장과 유사한 전체 피로 수명을 가지므로 얇은 벽에 의존하지 않고 긴 서비스 수명을 달성할 수 있는 대체 접근 방식을 제공합니다. 잔류 응력이 높은 얇은 벽이나 어닐링이 적용된 두꺼운 벽의 선택은 제조 능력과 비용에 따라 달라집니다. 진동이 존재하지만 심각하지 않은 대부분의 해양 응용 분야의 경우 벽 두께가 1.2~1.4mm 범위이면 일반 스웨이징은 추가 처리 없이 안정적인 부식 피로 성능을 제공합니다.