Sous quelle valeur de contrainte résiduelle de traction spécifique la gaine chauffante en acier inoxydable 316 passe-t-elle de passive à l'initiation de fissure dans 500 ppm d'eau chlorée à une température ambiante de 25 degrés

Seuil de contrainte pour le chlorure SCC à température ambiante

Dans le cas de tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable 316 dans de l'eau contenant du chlorure à température ambiante (25 degrés) dans des applications telles que des réservoirs de stockage non chauffés, des systèmes de circulation d'eau froide ou des équipements saisonniers, le risque de fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure (SCC) est généralement considéré comme faible, car le SCC des aciers inoxydables austénitiques nécessite généralement une température supérieure à 60 degrés. Cependant, des échecs ultérieurs sur le terrain et des expériences en laboratoire ont montré que le 316 peut se fissurer à 25 degrés dans 500 ppm d'eau chlorée en présence d'une contrainte résiduelle de traction adéquate, mais la contrainte seuil est beaucoup plus élevée qu'à des températures élevées. Le paramètre clé est la contrainte de traction résiduelle de la fabrication (étirage, pliage, redressage) plus toute contrainte supplémentaire. A 25{deg}C, aucune fissuration n'est observée en dessous d'une contrainte seuil de l'ordre de 80 à 90 % de la limite d'élasticité du matériau (165 à 185 MPa pour le 316 recuit avec 205 MPa de limite d'élasticité). Si la contrainte dépasse ce niveau, des fissures se développent après de longues périodes d'induction (6 mois à 2 ans) et se développent lentement, la rupture se produisant après 2 à 5 ans. Cet article fournit le seuil SCC à température ambiante de 316 gaines dans 500 ppm d'eau chlorée.

Le mécanisme du SCC à basse température

Trois conditions sont requises pour le SCC de l'acier inoxydable 316 dans le chlorure : une microstructure sensible (contenant normalement un écrouissage), une contrainte de traction soutenue et des ions chlorure. À des températures élevées (80 - 150 degrés), la SCC est due au transport rapide des chlorures, à des taux de repassivation lents et à une chimie agressive au fond de la fissure. À 25 degrés, l’énergie d’activation du SCC n’est pas nulle, mais la cinétique est nettement plus lente. La principale différence est que le seuil de contrainte de fissuration augmente considérablement à mesure que la température diminue. Cela est dû à l’augmentation du taux de déformation critique à la pointe de fracture pour la dissolution active, qui nécessite des contraintes appliquées plus élevées. Le 316 recuit à 25 °C dans 500 ppm de Cl- a une contrainte seuil d'environ 165 à 185 MPa (rendement de 80 à 90 %). Le 316 écroui a une contrainte de seuil plus faible car le matériau a une limite d'élasticité plus élevée mais également une densité de dislocation accrue et éventuellement de la martensite qui agit comme sites d'initiation de fissures.

25 degrés, 500 ppm de chlorure, seuils déterminés pour le SCC

Les relations seuils suivantes ont été établies à partir d'essais de charge constante de l'acier inoxydable 316 (échantillons de courbure en U et d'anneau en C{{2}) dans 500 ppm d'eau chlorée (pH 7,0, aérée) à 25 degrés pendant 24 mois maximum (17 520 heures).

Condition du matériau Limite d'élasticité (décalage de 0,2 %, MPa) 25 degrés Contrainte de seuil SCC dans 500 ppm Cl- (MPa) Seuil en % de la limite d'élasticité Temps d'initiation de la fissure au seuil +10 % (heures) Indice de risque SCC – 25 degrés
Complètement recuit (<5% cold work) 205 165-185 80-90% >10 000Extrêmement faible
Travail à froid léger (10-15%) 280 200-230 70-80% 5 000-10 000 Faible
Travail à froid modéré (15-20%) 350 230-260 65-75% 2 000-5 000 Modéré
Travail intensif à froid (20-25%) 420 250-280 60-70% 1 000-2 000 Élevé
Extreme cold work (>25%) >480 <280 (absolute) <60% 500-1,000 Extreme
With residual stress >90% yield 205 >185 >90 % 500-2 000 (en fonction du stress excessif) Élevé
Seuil de température ambiante en fonction de la concentration en chlorure

La contrainte seuil diminue avec l’augmentation de la teneur en chlorure. La contrainte seuil pour le 316 recuit à 25 degrés en fonction de la teneur en chlorure est indiquée dans le tableau suivant.

Concentration de chlorure (ppm) Seuil de contrainte pour le SCC à 25 degrés (MPa, recuit 316) Temps d'initiation de la fissure au seuil +10 % (heures) Limite de conception recommandée<100 >205 (no cracking at yield) >50 000 (pas de danger)Illimité
100-200 190-205 20 000-50 000 Risque très faible.
200-500 175-190 10 000-20 000 Acceptable avec gestion du stress résiduel
500-1000 160-175 5000-10000 Stress résiduel<70% yield needed 1000-2000 140-160 2000-5000Stress Relief Recommendations 2,000-5,000 110-140 1,000-2,000 316 Not recommended for continuous stress >5,000 <110 <1,000 316 Not recommended; upgrade alloy
Limites pratiques des contraintes résiduelles pour le service d'eau froide

Les limites maximales de contrainte résiduelle sont données pour 316 éléments chauffants gainés dans de l'eau contenant du chlorure - (200 - 1 000 ppm) à température ambiante (25 degrés).

Concentration de chlorure (ppm) Contrainte résiduelle maximale (MPa) pour une durée de vie de 10-ans Limite équivalente de travail à froidTraitement post-formage recommandé<200 <205 (full yield) Any None Required
200-500 <150 <25% cold work None for straight portions
200-500 <120 (at bends) <15% extra bend stressStress alleviation for tight bends ( R/D<3)
500-1,000 <120 <15% cold work Stress relief 400oC 1 hr
500-1,000 <100 (at bends) <10% extra strainFull solution anneal after bending >1,000 <80 <5% cold work (just annealed) Full solution anneal necessary
Détection sur le terrain du SCC à température ambiante

Pour un radiateur 316 défaillant dans un service de chlorure de 25 degrés (200-1 000 ppm Cl-), des fissures SCC se développeront normalement après 1-3 ans d'utilisation continue ou intermittente. Les fractures sont transgranulaires (à travers les grains) et ramifiées, comme les SCC à haute température, mais souvent plus courtes et moins étendues. La surface de fracture peut présenter des signes de propagation progressive de fissures (marquages ​​de plage) et peu de produits de corrosion. L'origine se situe souvent dans un site de contrainte résiduelle importante : le rayon extérieur d'une courbe, une section étirée à froid avec une réduction importante ou une zone affectée thermiquement par la soudure. Lorsqu'une section défaillante est mesurée pour la contrainte résiduelle par diffraction des rayons X, les valeurs sont généralement supérieures à 150-180 MPa. Pour de telles défaillances, la réponse est d'exiger un soulagement des contraintes après flexion (400 degrés pendant 1 heure) pour les achats futurs, réduisant ainsi la contrainte résiduelle en dessous de 100 MPa.

Cas particulier : exposition intermittente ou exposition continue

Exposition intermittente (cycles de séchage) à température ambiante, la teneur en chlorure augmente pendant le séchage conduisant à une formation accélérée de SCC. L’eau en vrac ne contient peut-être que 500 ppm de chlorure. Cependant, un appareil de chauffage qui peut sécher périodiquement peut avoir des concentrations de chlorure en surface de 5 000 à 10 000 ppm au niveau de la ligne de flottaison, abaissant ainsi le seuil de contrainte. Pour un service intermittent, la contrainte résiduelle admissible doit être la moitié de celle d'une immersion continue.

Conclusion : Contrôle des contraintes résiduelles pour le service de chlorure ambiant

La SCC dans des radiateurs en acier inoxydable 316 dans 500 ppm d'eau chlorée à 25 degrés s'est produite lorsque la contrainte résiduelle de traction soutenue dépassait environ 165-185 MPa (80 à 90 % du rendement pour un matériau recuit). Le seuil est élevé, mais les contraintes résiduelles locales dues au travail à froid (flexion, étirage, etc.) peuvent être supérieures à 200-300 MPa, suffisantes pour provoquer une fissuration à température ambiante après 1 à 3 ans. Pour un fonctionnement dans des chlorures à température ambiante, les ingénieurs sélectionnant 316 gaines doivent envisager un soulagement des contraintes après formation (400-450 degrés, 1 heure) pour réduire les contraintes résiduelles lorsque le chlorure dépasse 500 ppm ou lorsque les courbures sont plus serrées que R/D=3. Pour les niveaux de chlorure supérieurs à 1 000 ppm à 25 degrés, un recuit de solution complète ou une mise à niveau vers duplex 2205 est suggéré. L'approche proposée ici relie la contrainte résiduelle à des seuils de SCC mesurables à température ambiante, permettant aux acheteurs de commander 316 gaines qui résistent à la fissuration des chlorures même en service non chauffé.