Quelle contrainte résiduelle de traction de surface maximale autorisée due au redressage des rouleaux du tube chauffant 316 empêche la fissuration par corrosion sous contrainte dans 200 ppm d'eau chlorée à 80 degrés pendant 10 ans

Le facteur SCC à long terme : la contrainte résiduelle causée par le lissage

Pour les tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable 316 qui sont produits après étirage ou recuit par redressage à rouleaux, la contrainte résiduelle de traction superficielle introduite par le processus de redressage à rouleaux est souvent le facteur le plus important contrôlant la susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) en service au chlorure chaud. En fonction de la courbure initiale du tube, du décalage des rouleaux et du nombre de passes de redressage, le redressage des rouleaux peut entraîner des contraintes de traction superficielles de 50-250 MPa. La contrainte de traction seuil pour le démarrage du SCC dans le 316 recuit dans 200 ppm d'eau chlorée à 80 degrés est d'environ 120-140 MPa (60-70 % du rendement). La contrainte de traction résiduelle maximale admissible en surface pour une durée de vie de 10 ans sans SCC est de 100 MPa. Les fissures commencent au bout de 1 à 3 ans au-dessus de 120 MPa, et en quelques mois au-dessus de 150 MPa. Le lien entre la contrainte résiduelle induite par le redressage, le temps d'initiation du SCC et la durée de vie dans des conditions de chlorure dilué est quantifié dans cet article.

Mécanisme de contrainte de surface due au redressement

Le redressage par rouleaux déforme plastiquement la surface du tube en alternant tension et compression afin d'éliminer la courbure. A chaque point de contact du rouleau, les fibres extérieures du tube sont soumises à des contraintes de traction généralement de 0,2 à 1,5 % selon le degré de redressement. Pour l'acier inoxydable 316 avec une limite d'élasticité d'environ 205 MPa (recuit) à 450 MPa (travaillé à froid-), ces déformations produisent des contraintes résiduelles de 50 MPa (redressage léger d'un tube droit) à 250 MPa (redressage important d'un tube courbe). Le profil de contraintes résiduelles est fortement localisé à la surface, avec les contraintes les plus importantes dans les 20 à 100 ml extérieurs du mur. Cette couche mince et fortement contrainte est bien adaptée à l'initiation du SCC car les fissures se nucléent près de la surface et se propagent à travers le champ de contraintes résiduelles. En revanche, les tensions résiduelles ne diminuent pas considérablement avec le temps à 80 degrés.

Corrélation quantitative entre la contrainte de redressement et la durée de vie du SCC à 80 degrés

Des tests systématiques de SCC (charge continue, échantillons courbés en U) de 316 tubes avec des niveaux de contrainte résiduelle de surface régulés (mesurés par diffraction des rayons X) dans 200 ppm d'eau chlorée (pH 7,5, aérée) à 80 degrés ont montré les temps d'initiation et de propagation suivants.

Max. Contrainte résiduelle de traction de surface due au redressage (MPa) Contrainte en % de la limite d'élasticité (recuit 316, 205 MPa) Temps jusqu'à l'initiation des fissures SCC (heures, 80 degrés, 200 ppm Cl-) Temps jusqu'à la perforation (paroi de 1,5 mm, heures) Durée de vie totale (années) Recommandé pour 10 ans de service<50 <25% >80,000 >100,000 >11 ans Oui 50-75 25-37% 50 000-80,000 60 000-100 0007-11 ans Oui 75-100 37-49% 30 000-50,000 40 000-70,000 5-8 ans OK pour 10 ans ? Marginal 100-120 49-59 % 15 000-30,000 20 000-45,000 2-5 ans Rien (10 ans)
59-68% 8,000-15,000 10,000-25,000 1-3 years 120-140No 140-160 68-78% 3,000-8,000 5,000-15,000 6-18 monthsNo 160-200 78-98 % 1,000-3,000 2,000-6,000 3-8 monthsNo >200 >98% <1,000 <2,000 <3 months No
Influence de l'épaisseur de paroi sur la tolérance aux contraintes résiduelles

Des parois plus épaisses répartissent différemment les contraintes dues au redressement et disposent donc de plus de matériau pour soutenir la croissance de la fracture. Le tableau ci-dessous indique les contraintes résiduelles maximales autorisées pour le redressage pour une durée de vie de 10 ans en fonction de l'épaisseur de la paroi.

Épaisseur de paroi (mm) Contrainte résiduelle maximale autorisée lors du redressage pour une durée de vie de 10 ans (MPa) Équivalent travail à froid maximal autorisé lors du redressage (%)
1.0 60 5-8 1.2 75 8-10 1.5 100 10-12 2.0 120 12-15 2.5 130 15-18 3.0 140 18-20 Spécifications pratiques - Redressage après recuit

Les paramètres de redressement suivants doivent être mentionnés dans les documents d'achat pour 316 éléments chauffants gainés pour utilisation au chlorure chaud (80 degrés, 200 ppm Cl⁻) :

Etat du tube avant redressage Contrainte résiduelle superficielle maximale après redressage (MPa) Méthode de redressage Méthode de vérification
100 % recuit (sans contrainte)Diffraction des rayons X-sur l'échantillon Plusieurs passes, petit décalage des rouleaux
Léger étiré à froid (10-15% CW) 80Déport réduit des rouleaux Ferritescope+XRD
60 Passage unique, peu de décalage Modérément étiré à froid (15-25 % CW) Ne convient pas au service chlore. .
Comme-courbé (non redressé précédemment) 80 (mesuré sur une section droite) Redresser uniquement si nécessaire XRD requis
Validation des contraintes résiduelles dans les tubes redressés

Les acheteurs souhaitant des niveaux de stress résiduel certifiés disposent de trois techniques de vérification. La première est la diffraction des rayons X- (DRX), qui permet de mesurer directement la contrainte résiduelle de surface avec une précision de ±20 MPa. Le second est le test de courbure en U ASTM G38 - dans lequel un échantillon du tube tel - reçu est plié à 180 degrés puis immergé dans du chlorure de magnésium bouillant (154 degrés) ou, pour des conditions plus comparables, dans 200 ppm de chlorure à 80 degrés. La fissuration se produit dans les 100 heures dans MgCl 2 ou 2 000 heures dans la solution de simulation de service - lorsque la contrainte résiduelle est supérieure à 100-120 MPa. La troisième méthode est la mesure de la perméabilité magnétique : la contrainte résiduelle induite par le redressement dans 316 n'est pas directement liée à la perméabilité mais un développement localisé de martensite aux maxima de contrainte peut être détecté. Pour les applications cruciales, la confiance la plus élevée est obtenue par des mesures XRD sur un seul échantillon de chaque lot de production.

Diagnostic sur le terrain du CSC dû au redressement

For a 316 heater that fails by SCC in 80°C, 200 ppm chloride water, straightening-induced residual stress should be suspected if the cracks are located in straight sections of the sheath (not at bends or welds) and are orientated longitudinally (parallel to tube axis) corresponding to the straightening roller contact direction. The cracks can be in several parallel lines, 10-20 mm apart. Under magnification the fractures are transgranular and branching typical of chloride SCC. Residual stress measurements of a piece of remnant sheath from the failure (XRD) are generally >120-150 MPa. Le remède à ces échecs est de prescrire, pour les futurs achats, un recuit de détente post-redressage (400-450 degrés pendant 1-2 heures) qui minimisera les contraintes résiduelles de 50-70% sans altérer sensiblement les qualités mécaniques.

L'interrelation entre les contraintes résiduelles de redressement et de flexion

Si un appareil de chauffage est fabriqué droit (avant d'être plié) puis plié pour obtenir sa forme finale, les contraintes résiduelles des deux procédures peuvent y contribuer. La contrainte résiduelle globale la plus élevée est souvent observée au niveau du rayon de courbure extérieur du côté ayant subi une contrainte de redressement. Pour de tels appareils de chauffage, la contrainte de redressement admissible doit être encore réduite. Un critère conservateur est que la somme de la contrainte résiduelle de redressement et de la contrainte résiduelle de flexion (mesurée sur le même site) ne doit pas être supérieure à 100 MPa pour une durée de vie de 10- ans dans 200 ppm Cl- à 80 degrés.

Conclusion : Spécification de contrainte de redressement faible pour le service Chloride

Le seuil essentiel pour le démarrage du SCC pour les radiateurs en acier inoxydable 316 dans 200 ppm d'eau chlorée à 80 degrés est une contrainte résiduelle de traction superficielle d'environ 100 -120 MPa. Pour des contraintes de redressement supérieures à 120 MPa, le début de rupture se produit après 1 à 3 ans et pour des contraintes inférieures à 100 MPa, une durée de vie de 10 ans est obtenue. Pour le service au chlorure chaud, les ingénieurs spécifiant les gaines 316 doivent spécifier le redressement des tubes avec un décalage minimum des rouleaux, la vérification des contraintes résiduelles par DRX sur les tubes d'échantillon et un recuit de détente après le redressage (400 degrés pendant 1 heure) si le chlorure dépasse 200 ppm ou si la température dépasse 70 degrés. L'approche proposée ici relie les contraintes résiduelles induites par le redressage avec des temps de démarrage et de perforation mesurables du SCC, permettant aux acheteurs de spécifier des techniques de fabrication pour éviter cette source cachée mais significative de risque de fissuration.