¿Cómo controla la relación de aspecto promedio del grano después del estirado en frío de la tubería calefactora 316 la anisotropía de la resistencia a las picaduras en agua de mar que fluye a 40 grados?

El efecto de la microestructura direccional sobre la cinética de crecimiento del pozo

The cold drawing process used to manufacture electric heating tubes sheathed in 316 stainless steel for seawater service (such as marine heating systems, shipboard heaters, or coastal industrial process heaters) creates an elongated grain structure with a characteristic aspect ratio (grain length divided by grain width). In the as-drawn condition (before to annealing), the grains are often extended 3:1 to 10:1 along the tube axis. This grain shape anisotropy leads to anisotropic pitting behaviour, wherein pits propagating parallel to the tube axis (i.e. along the direction of grain elongation) hit fewer grain barriers per unit length and so propagate more rapidly than pits propagating circumferentially (i.e. across grain borders). 316 sheath with a high grain aspect ratio (>5:1) puede perforarse en 2 a 3 años en agua de mar que fluye a 40 grados cuando el flujo es paralelo al eje del tubo; sin embargo, el mismo tubo duraría de 5 a 7 años cuando las picaduras se extienden a lo largo de la estructura de grano alargado. En este artículo cuantificamos el vínculo entre la relación de aspecto del grano, la anisotropía de las picaduras y la vida útil en agua de mar.

Mecanismo de detención de las picaduras en los límites del grano.

La corrosión por picaduras en el acero inoxidable 316 se inicia preferentemente en impurezas de sulfuro de manganeso. El crecimiento del pozo se produce por descomposición anódica una vez iniciado. Cuando la picadura se encuentra con un límite de grano, la velocidad de disolución generalmente se suprime, ya que el borde de grano tiene una orientación cristalográfica diferente y posiblemente un potencial electroquímico diferente. En los granos equiaxiales (relación de aspecto cercana a 1:1), los hoyos a menudo se encuentran con los bordes del grano y la profundidad de los hoyos es limitada. En granos alargados (alta relación de aspecto), un hoyo que se mueve a lo largo del eje longitudinal de los granos puede recorrer de 5 a 10 veces la distancia antes de alcanzar una barrera de granos, lo que permite una penetración sustancialmente más profunda antes de detenerse. En el agua de mar que fluye, la acción se mejora aún más porque el corte del fluido elimina los productos de corrosión de la boca del pozo, manteniendo una química local agresiva.

Relación cuantitativa entre la relación de aspecto del grano y la anisotropía de picaduras.

Las tasas de propagación de picaduras paralelas y perpendiculares a la dirección de elongación del grano se determinaron mediante pruebas de picadura acelerada de tubos 316 estirados en frío (sin recocido post-estirado) en agua de mar sintética fluida (40 grados, velocidad de 2 m/s, 20 000 ppm de cloruros).

Relación de aspecto del grano (largo: ancho) Tasa promedio de propagación de la picadura paralela al eje (mm/año) Tasa de propagación de la picadura perpendicular al eje (mm/año) Relación de anisotropía (paralela / perpendicular) Tiempo hasta la perforación (pared de 1,5 mm) – Propagación paralela Tiempo hasta la perforación (pared de 1,5 mm) – Propagación perpendicular
1:1 (equiaxial, recocido) 0.20 0.20 1.0 7.5 años 7,5 años 2:1 0.25 0.20 1.25 6.0 años 7,5 años 3:1 0.32 0.18 1.8 4.7 años 8,3 años 4:1 0.40 0.16 2.5 3.8 años 9,4 años
5:1 0.50 0.15 3.3 3.0 años 10,0 años
6:1 0.60 0.14 4.3 2.5 años 10,7 años
7:1 0.70 0.13 5.4 2.1 años 11,5 años
8:1 0.82 0.12 6.8 1.8 año 12,5 años
Efecto de la dirección del flujo con respecto a la orientación del tubo

Para un calentador colocado en una tubería o tanque, la orientación de la dirección de propagación más rápida del pozo con respecto al eje del tubo depende de la dirección del flujo. El peor escenario es cuando el flujo es paralelo al eje del tubo y las picaduras comienzan en una superficie donde los granos alargados están orientados paralelos al espesor de la pared (es decir, la picadura debe atravesar la pared a lo largo del eje longitudinal de los granos). La situación óptima es cuando el flujo es normal al eje del tubo y la fosa tiene que cruzar los límites de los granos para perforar la pared.

Dirección del flujo con respecto al eje del tubo Dirección de propagación de la cuenca con respecto al alargamiento del grano Orientación de instalación recomendada Tiempo efectivo de perforación (años, relación de aspecto 5:1)
Paralelo (flujo a lo largo del tubo) Paralelo (peor) 3.0 No recomendado para tubos de alta relación de aspecto
Perpendicular (flujo por tubo) Mixto; principalmente en todos los granos 7-8 Recomendado
45 gradosMixto 5-6 Apropiado
Flujo bajo o estancado (< 0.5 m/s)5-6 Acceptable Orientation less significant; diffusion controlled
Servicio de Agua de Mar, Especificaciones Prácticas para

Las relaciones de aspecto de grano recomendadas para calentadores con funda 316 para agua de mar o aplicaciones con alto contenido de cloruro a temperaturas superiores a 40 grados son las siguientes.

Condición de servicio Relación de aspecto de grano máxima recomendada después-Tratamiento térmico requeridoVida útil promedio (años)
Agua de mar que fluye, perpendicular al tubo 4:1 Alivio del estrés (1 hora a 500 grados) 5-7
Agua de mar que fluye, flujo paralelo al tubo 2:1 Recocido en solución completa (recristalizado) 5-7
Agua de mar estancada o de bajo flujo 5:1 Ninguno (adecuado como se muestra) 4-6
Temperatura intermitente o baja (<30°C) 6:1 None 5-8
critical service, all orientations 1:1 (completely recrystallized) Full solution anneal (1040°C + quench) >10 Identificación de campo de picaduras anisotrópicas

La morfología de la fosa de un calentador 316 averiado en agua de mar corriente muestra el efecto de la relación de aspecto del grano. Las picaduras alargadas a lo largo del eje del tubo (en lugar de redondas) sugieren que los granos son alargados y que las picaduras progresaron preferentemente a lo largo de los límites de los granos paralelos al eje. Una sección transversal longitudinal-muestra la ruta de corrosión siguiendo los límites de grano extendidos bajo un microscopio. La solución es solicitar tubos completamente recristalizados (de grano equiaxial) para compras futuras proporcionando un recocido de solución completa siguiendo todos los procedimientos de trefilado. Los tubos recristalizados suelen tener una prima de coste del 10 al 20 %, justificada por una extensión de vida útil de 2 a 3 veces en agua de mar que fluye.

Conclusión: granos equiaxiales para servicio en agua de mar

The grain aspect ratio in cold drawing influences the pitting propagation anisotropy of 316 stainless steel encased heaters in flowing saltwater at 40°C. Pits propagating parallel to the tube axis with high aspect ratios (>5:1) pueden perforar la pared en 2-3 años, mientras que los granos equiaxiales (relación de aspecto 1:1) dan 7-8 años de vida. Al diseñar vainas 316 para aplicaciones marinas o costeras, los ingenieros deberían necesitar una solución final de recocido para generar granos equiaxiales recristalizados. Cuando no se pueda lograr un recocido completo (por ejemplo, ensamblajes largos o complejos), se debe establecer la relación de aspecto máxima (menor o igual a 3:1) y montar el calentador con un flujo normal al eje del tubo. El marco desarrollado aquí relaciona la relación de aspecto del grano con las tasas de propagación de picaduras anisotrópicas. Esto permite a los compradores seleccionar tubos 316 con la máxima resistencia a la penetración de picaduras en agua de mar que fluye.