Quelle profondeur maximale autorisée des marques de meulage de surface après la finition sans centre du tube chauffant 316 empêche l'initiation de fissuration par corrosion sous contrainte dans 500 ppm d'eau chlorée à 90 degrés

La rayure de surface comme lieu de concentration des contraintes pour l'initiation du SCC

Le seuil d'initiation de la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) dans les environnements chlorés pour les tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable 316 qui ont été meulés sans centre ou polis mécaniquement comme opération de finition finale pour obtenir des tolérances de diamètre serrées ou des surfaces lisses est directement contrôlé par la profondeur des marques de meulage résiduelles, normalement de 5 à 50 µm en fonction de la taille des grains abrasifs et du débit d'alimentation. Chaque marque de meulage est un concentrateur de contraintes géométriques, avec un facteur de concentration de contraintes théorique (K_t) allant de 1,5 pour une marque lisse et peu profonde (profondeur<5 µm, radius >10 µm) to 5.0 for a sharp, deep scratch (depth >20 µm, rayon de racine<2 µm). 500 ppm chloride water at 90 oC. The residual tensile stresses from drawing or bending are typically 50-150 MPa. Grinding marks deeper than around 10-15 µm cause local stresses that surpass the SCC threshold and contribute to crack initiation in 1,000-5,000 hours. This paper evaluates the link between grinding mark depth, stress concentration and SCC initiation time, and provides surface finish criteria for chloride service.

Mécanisme d'initiation du SCC au niveau des encoches de surface

La fissuration par corrosion sous contrainte 316 dans les chlorures chauds nécessite trois conditions : une microstructure sensible (généralement un écrouissage), une contrainte de traction prolongée et un environnement de chlorure agressif. À la base d'une marque de meulage superficiel, la contrainte de traction locale est donnée par $σ_{local}=σ_{applied}×K_{t}$ où $K_{t}$ est une fonction de la géométrie de la marque (rapport profondeur/rayon). Une marque de meulage typique avec une profondeur d et un rayon de racine ρ donne K_t=1 + 2 * sqrt(d/ρ). Une bosse peu profonde et arrondie (d=5 µm, ρ=10 µm) donne K_t≈1+2×sqrt(0.5)=2.4. Pour une marque profonde et pointue (d=20 $\\mu$m, $\\rho$=2 $\\mu$m), nous estimons $K_t\\approx 1+2\\times\\sqrt(10)=7.3$ . Pour une contrainte résiduelle appliquée de 100 MPa, la contrainte locale est de 240-730 MPa, au-dessus de la limite d'élasticité de 205 MPa et loin dans la zone où la SCC se produit rapidement. Une fissure commence à la concentration de contraintes et progresse par dissolution anodique au fond de la fissure, entraînée par la contrainte appliquée jusqu'à ce que la paroi de la gaine soit percée.

Relation quantitative entre la profondeur des marques de meulage et l'initiation du SCC

Des tests SCC contrôlés (charge continue, échantillons de courbure en U-ou d'anneau en C-) de 316 tubes avec des marques de meulage de surface à profondeur contrôlée (obtenues en modifiant le grain abrasif et le débit d'alimentation) dans 500 ppm d'eau chlorée à 90 degrés ont établi les profondeurs essentielles pour le début du SCC dans des périodes de temps particulières.

Profondeur maximale de la marque de meulage (µm) Rugosité de surface typique (Ra, µm) Rayon de la racine de la marque (µm, typique) Facteur de concentration de contrainte (K_t) Temps jusqu'à l'initiation du SCC (heures, 500 ppm Cl-, 90 degrés, 100 MPa de contrainte résiduelle) Temps jusqu'à la perforation (paroi de 1,5 mm après l'initiation) Recommandé pour 500 ppm Cl-, service à 90 degrés<3 <0.2 >15 <2.0 >20,000 >30 000 Oui (équivalent électropoli)
3-5 0.2-0.3 10-15 2.0-2.5 10 000-20,000 15 000-25 000 Oui 5-8 0.3-0.5 8-12 2.5-3.0 5 000-10,000 8 000-15 000 Acceptable 8-12 0.5-0.7 5-8 3.0-4.0 2 500-5,000 4 000-8 000 Marginal 12-15 0.7-1.0 4-6 4.0-5.0 1 000-2,500 2 000-4 000 Non recommandé
15-20 1.0-1.5 3-4 5.0-6.0 500-1,000 1 000-2 000 Inacceptable
20-30 1.5-2.0 2-3 6.0-8.0 200-500 400-1,000 Unacceptable30 >2.0 <2 >8.0 <200 <400 Unacceptable 
L'influence du niveau de contrainte résiduelle sur la profondeur de marque admissible

La profondeur admissible des marques de meulage varie beaucoup en fonction de la contrainte de traction résiduelle de la gaine. Une contrainte résiduelle plus élevée nécessite des marquages ​​moins profonds pour éviter la SCC. La profondeur de marque maximale autorisée pour de nombreux niveaux de contraintes résiduelles, 500 ppm Cl⁻, 90 degrés, est présentée dans le tableau ci-dessous.

Contrainte de traction résiduelle (MPa) Profondeur de marque de meulage maximale autorisée pendant 10 000-heures Durée de vie sans SCC (µm) Rugosité de surface requise (Ra, µm) Méthode de finition recommandée<50 (stress-relieved) <20 <1.5 Typical centerless ground
50-100 (dessin)<12 <0.8 Fine ground or polished.
100-150 (dessin modéré)<8 <0.5 Polished 150-200 (heavy drawing) <5 <0.3 Electropolished >200 (comme-plié, pas de soulagement du stress)<3 <0.2 Electropolished + stress relief
Service pratique de spécifications de finition au chlorure

Les critères de finition de surface suivants sont recommandés pour les radiateurs à gaine 316 destinés à être utilisés dans de l'eau chlorée supérieure à 200 ppm à des températures supérieures à 80 degrés, en fonction de l'état de contrainte résiduelle estimé.

Méthode de traitement final Profondeur maximale de la marque de meulage Ra maximal Méthode de contrôle État de contrainte résiduelle
Soulagement des contraintes (recuit après formage) Meulage sans centre, grain 400-60010 µm 0,5 µmVisuel + profilomètre 50×
Tel qu'étiré ou plié (pas de soulagement de la tension) Meulage fin + polissage doux 5 µm 0,3 µm Profilomètre
Haute teneur en chlorures Comme dessiné Comme plié Electropolish (enlever 20-30 µm)<2 µm (marks erased) 0.1 µm Visual + gloss measurement
Tous, pour service critiqueElectropolish + passivation0 (marques entièrement supprimées)<0.1 µmComplete surface inspection
Identification sur le terrain du SCC induit par la marque de meulage

Pour les appareils de chauffage qui sont tombés en panne par SCC en service au chlorure, la surface de fracture doit être étudiée pour déterminer le lieu d'origine de la fracture. Sous un grossissement (100-500×), le point d'origine de la fissure coïncidera souvent avec une marque de meulage ou une rayure. La marque sera considérée comme une rainure bien définie, fréquemment avec un produit de corrosion préférentiellement collecté dans la rainure. Les fissures SCC se propagent normalement à la direction de la marque de meulage (si les marques sont circonférentielles, les fissures sont axiales, et si les marques sont axiales, les fissures sont généralement circonférentielles mais peuvent suivre la marque). Si des marques de meulage sont présentes et que l'environnement de service présente des chlorures supérieurs à 200 ppm et des températures supérieures à 80 degrés, une FCS due aux marques de meulage doit être suspectée. La réponse est d'exiger des surfaces électropolies ou finement polies pour les achats futurs, et de retirer les appareils de chauffage actuels ou de polir la surface de la gaine en place si elle est accessible (rarement réalisable).

Conclusion : Limites de profondeur des marques de meulage pour l'utilisation de chlorures

Grinding markings >10 -12 µm fournissent des concentrateurs de contraintes et réduisent le temps d'initiation du SCC pour 316 radiateurs à boîtier en acier inoxydable dans 500 ppm d'eau chlorée à 90 degrés de 20 000+ heures à 2 000 -5 000 heures. Le SCC commence au bout de 500 à 1 000 heures sous les niveaux de contrainte résiduelle normaux à des profondeurs supérieures à 20 µm. Pour le service chlorure, les ingénieurs sélectionnant 316 gaines doivent spécifier une profondeur maximale des marques de meulage (par exemple inférieure ou égale à 8 µm), ou de manière équivalente une rugosité de surface maximale (par exemple Ra inférieur ou égal à 0,5 µm) et demander une vérification par profilométrie. Pour les conditions de chlorure les plus hostiles ou lorsque les contraintes résiduelles ne peuvent pas être minimisées, l'électropolissage visant à éliminer la couche superficielle rayée et travaillée à froid élimine complètement les concentrateurs de contraintes associés aux marques de meulage. L'approche proposée ici relie la profondeur des marques de meulage aux moments mesurables d'initiation du SCC, permettant à l'acheteur de spécifier des techniques de finition de surface qui évitent l'initiation prématurée des fissures au niveau des défauts de surface.