海洋技術者が海洋プラットフォーム、船上システム、沿岸産業プラント用の電気浸漬ヒーターを指定する場合、周期的な機械的負荷と塩化物腐食の組み合わせにより、腐食疲労として知られる特に激しい破損メカニズムが生じます。空気中での純粋な疲労や静止状態での純粋な腐食とは異なり、腐食疲労では応力振幅が大幅に低くなり、サイクル寿命が短くなり亀裂が発生します。スエージング プロセス中に導入される残留応力-抵抗線の周囲の酸化マグネシウム絶縁体を圧縮するために使用されます-。使用応力と相互作用して、その符号と大きさに応じて亀裂の成長を加速または遅らせます。この記事では、316 ステンレス鋼シースの壁の厚さがスエージング後の残留応力分布にどのような影響を与えるか、またこれらの残留応力が海洋環境における腐食疲労寿命にどのような影響を与えるかを定量化します。
316 シースのかしめ時の残留応力の発生
316 ステンレス鋼チューブが MgO- 充填コアの周囲で大きい直径から小さい直径にスエージ加工されると、そのプロセスにより特徴的な残留応力パターンが誘発されます。シースの外面は、スエージングダイが材料を内側に向かって叩くため圧縮残留応力を受けますが、内面は圧縮された MgO が弾性スプリングバック中に外側に押されるため、引張残留応力を受けます。これらの残留応力の大きさは、直径の減少に対する壁の厚さに依存します。 1.0 mm 未満の薄肉シースの場合、スエージング力は壁の厚さのほぼ全体に浸透し、外面に通常 -200 ～ - MPa の高い圧縮応力が発生し、内面には +50 ～ +100 MPa の中程度の引張応力が発生します。 1.8 mm を超える厚肉シースの場合、スエージング力は主に外層で吸収され、外表面付近にのみ高い圧縮応力が発生し、内層は比較的影響を受けません。 MgO の圧縮が不完全であるため、内面の引張応力も低くなります。かしめられた 316 シースの残留応力の X 線回折測定により、この関係が確認されます。 0.9 mm の壁シースは、-280 MPa の表面圧縮応力を示しました。 1.5 mm の壁のシースは -180 MPa を示しました。 2.0 mm の壁のシースでは、-120 MPa しか示されませんでした。シースが薄いと、外表面により有利な圧縮応力が蓄積されます。外表面は通常、腐食疲労亀裂が発生する場所です。
残留圧縮応力が腐食疲労亀裂の発生をどのように遅らせるか
316 ステンレス鋼での腐食疲労亀裂の発生には、周期的な引張応力と塩化物を含む腐食性電解液の両方が必要です。亀裂は、保護不動態皮膜が破壊された表面のピットまたは介在物から始まります。表面が残留圧縮応力の状態にある場合、材料が亀裂の先端で正味の張力を受ける前に、適用される周期的引張応力がまずこの圧縮を克服する必要があります。これにより、亀裂発生の閾値応力が効果的に上昇します。 -280 MPa の表面残留圧縮を持つ 0.9 mm 316 シースの場合、+200 MPa の繰り返し応力を加えても、表面には正味 -80 MPa しか生じず、圧縮されたままであり、疲労亀裂を引き起こすことができません。適用される周期応力が +280 MPa を超えた場合にのみ、表面に正味張力が発生します。対照的に、表面圧縮が -120 MPa のみの 2.0 mm シースでは、印加応力が +120 MPa (はるかに低いしきい値) を超えると正味張力が発生します。 60℃の合成海水中での腐食疲労試験により、この効果が確認されています。壁厚が 0.9 mm で残留圧縮が高いサンプルは、250 MPa の交互応力を加えた 1,000 万サイクルにも亀裂が発生することなく耐えました。壁厚が 2.0 mm で残留圧縮が低いサンプルは、同じ応力を加えた状態で 200 万サイクル後に破損しました。シースが薄くなったことで、絶対的な肉厚が薄くなったにもかかわらず、腐食疲労寿命が 5 倍長くなりました。
残留応力の利点と肉厚マージンとのトレードオフ-
薄壁シースの腐食疲労の利点は、亀裂が発生すると材料マージンが減少することとバランスを取る必要があります。{0}残留圧縮率が高い 0.9 mm シースは、数百万サイクルにわたって亀裂の発生に耐えることができます。しかし、おそらく大きな表面ピットまたは一時的な過負荷により、亀裂が残留応力場を超えると、穴が開く前に材料のわずか 0.9 mm を亀裂が伝播するはずです。残留圧縮が低い 2.0 mm シースでは、サイクル数が少なくても亀裂が発生する可能性がありますが、破損するには亀裂が 2.0 mm を通過する必要があります。故障までの総寿命は、開始寿命と伝播寿命の合計です。 60°C の海水中での回転ビーム腐食疲労試験の実験データは、外径 10 mm の 316 シースの場合、200 MPa の交番応力で破損するまでの合計サイクルを次のように示しています。 0.8 mm シースは、開始に 1,150 万回、伝播に 50 万回の合計 1,200 万サイクルを達成しました。 1.2 mm のシースは、開始に 700 万、伝播に 100 万の計 800 万サイクルを達成しました。 1.6 mm シースは、開始に 300 万回、伝播に 200 万回の合計 500 万サイクルを達成しました。 2.0 mm シースは、開始に 150 万回、伝播に 200 万回の合計 350 万サイクルを達成しました。高い残留圧縮を備えた薄肉シースは、伝播マージンが最小限であるにもかかわらず、最長の総寿命を実現します。
海洋環境向けの腐食疲労寿命選択マトリックス
次の表は、予想される繰返し応力振幅と必要な耐用年数に基づいて、海洋環境における浸漬型電気ヒーターに推奨される 316 シースの壁厚を示しています。値は、30～60°C の海水または汽水に継続的に曝露され、スエージ後の焼きなましを行わない標準的なスエージ プロセスを想定しています。-
| 予想される周期的応力振幅 | 必要寿命 | 推奨される 316 シース壁の厚さ | 支配的な故障モード | 設計の理論的根拠 |
|---|---|---|---|---|
| 低、50MPa未満 | 10年以上 | 1.2～1.6mm | 隙間腐食 | 残留応力の利点はそれほど重要ではありません。腐食代が厚さを左右する |
| 中程度、50～150MPa | 5～10年 | 1.0～1.2mm | 腐食疲労の開始 | 薄い壁により高い残留圧縮が得られ、亀裂を防止します |
| 中程度、50～150MPa | 10年以上 | 1.4 – 1.6 mm（スエージ後焼鈍あり）- | 開始後の伝播 | アニーリングにより残留応力の利点が除去されます。厚みマージンに依存する |
| 高圧、150～250MPa | 3～5年 | 0.8～1.0mm | 腐食疲労の開始 | 最大残留圧縮が必須。耐用年数の短縮を受け入れる |
| 高圧、150～250MPa | 5年以上 | 316では実現不可能 | 過負荷または急速な亀裂 | インコロイ 825 またはチタンへのアップグレード |
| 頻繁に過負荷がかかる変数 | あらゆる耐用年数 | 1.6～2.0mm | 予期せぬ亀裂後の伝播 | 厚みマージンが予期せぬ事態から保護 |
振動、熱膨張サイクル、または圧力変動によって周期的な応力が発生する用途では、応力振幅の測定または推定が不可欠です。測定が不可能な場合は、控えめなデフォルトとして 100 MPa の中程度の応力レベルを想定します。このような場合、壁厚 1.2 mm が残留応力の利点と伝播マージンの最適なバランスを提供します。エンジニアは、高サイクル用途向けの厚肉シースに対してスエージ後焼鈍を指定することも検討する必要があります。{{5} 1,050°C での焼きなましにより残留応力が完全に除去され、薄壁による腐食疲労の利点が失われますが、亀裂の伝播に寄与する可能性がある内面の引張残留応力も除去されます。焼き鈍しされた 1.6 mm シースは、総疲労寿命の点で焼き鈍しされていない 1.2 mm シースと同様の挙動を示し、薄壁に頼らずに長い耐用年数を達成するための代替手段となります。残留応力の高い薄い壁と焼きなましを施した厚い壁のどちらを選択するかは、製造能力とコストによって異なります。振動は存在するが深刻ではないほとんどの海洋用途では、標準のスエージ加工による肉厚 1.2 ～ 1.4 mm により、特別な加工を必要とせずに信頼性の高い腐食疲労性能が得られます。
