해양 플랫폼, 선상 시스템 및 해안 산업 플랜트용 전기 투입식 히터를 지정하는 해양 엔지니어의 경우 주기적인 기계적 부하와 염화물 부식의 조합으로 인해 부식 피로라고 알려진 특히 공격적인 고장 메커니즘이 생성됩니다. 공기 중의 순수 피로나 정적 조건의 순수 부식과 달리 부식 피로는 상당히 낮은 응력 진폭과 짧은 사이클 수명에서 균열이 시작됩니다. 스웨이징 공정 중에 도입된 잔류 응력은-저항선 주위의 산화마그네슘 절연체를 압축하는 데 사용-사용 응력과 상호 작용하여 그 부호와 크기에 따라 균열 성장을 가속화하거나 지연시킵니다. 이 기사에서는 316 스테인리스강 외장의 벽 두께가 스웨이징 후 잔류 응력 분포에 어떻게 영향을 미치는지, 이러한 잔류 응력이 해양 환경에서 부식 피로 수명을 어떻게 수정하는지 정량화합니다.
316 보호관 스웨이징 중 잔류 응력 발생
316 스테인리스 스틸 튜브가 MgO- 충전 코어 주위에서 더 큰 직경에서 더 작은 직경으로 스웨이징될 때, 프로세스는 특징적인 잔류 응력 패턴을 유도합니다. 스웨이징 다이가 재료를 안쪽으로 두드리기 때문에 외장의 외부 표면에는 압축 잔류 응력이 발생하는 반면 탄성 스프링백 중에 압축된 MgO가 외부로 밀려나면서 내부 표면에는 인장 잔류 응력이 발생합니다. 이러한 잔류 응력의 크기는 직경 감소에 따른 벽 두께에 따라 달라집니다. 1.0mm 미만의 얇은-벽 피복의 경우 스웨이징 힘이 거의 전체 벽 두께에 침투하여 외부 표면에 높은 압축 응력(일반적으로 -200 ~ -300MPa)을 생성하고 내부 표면에 적당한 인장 응력(+50 ~ +100MPa)을 생성합니다. 1.8mm 이상의 두꺼운 벽 피복의 경우, 스웨이징 힘은 주로 외부 층에서 흡수되어 외부 표면 근처에서만 높은 압축 응력을 생성하는 반면 내부 층은 상대적으로 영향을 받지 않습니다. MgO 압축이 덜 완전하기 때문에 내부 표면의 인장 응력도 더 낮습니다. 스웨이징된 316 외장의 잔류 응력에 대한 X선 회절 측정을 통해 이러한 관계가 확인되었습니다. 0.9mm 벽 외장은 -280MPa의 표면 압축 응력을 나타냈습니다. 1.5mm 벽 외장은 -180MPa를 나타냈습니다. 2.0mm 벽 외장은 -120MPa에 불과했습니다. 피복이 얇을수록 일반적으로 부식 피로 균열이 시작되는 위치인 외부 표면에 더 유익한 압축 응력이 저장됩니다.
잔류 압축 응력이 부식 피로 균열 시작을 지연시키는 방법
316 스테인리스 강의 부식 피로 균열 발생에는 반복 인장 응력과 염화물을 함유한 부식성 전해질이 모두 필요합니다. 균열은 보호 수동막이 파손된 표면 피트 또는 개재물에서 시작됩니다. 표면이 잔류 압축 응력 상태에 있는 경우 재료가 균열 팁에서 순 장력을 경험하기 전에 적용된 반복 인장 응력이 먼저 이 압축을 극복해야 합니다. 이는 균열 발생에 대한 임계 응력을 효과적으로 높입니다. 표면 잔류 압축이 -280 MPa인 0.9 mm 316 외장의 경우 +200 MPa의 적용된 반복 응력은 표면에 -80 MPa 순만 생성하며 이는 압축 상태를 유지하고 피로 균열을 시작할 수 없습니다. 적용된 반복 응력이 +280 MPa를 초과하는 경우에만 표면에 순 장력이 발생합니다. 대조적으로, 표면 압축이 -120 MPa에 불과한 2.0 mm 외장은 적용된 응력이 훨씬 낮은 임계값인 +120 MPa를 초과할 때 순 장력을 경험합니다. 60°C의 합성 해수에 대한 부식 피로 테스트를 통해 이러한 효과가 확인되었습니다. 벽 두께가 0.9mm이고 잔류 압축률이 높은 샘플은 균열 발생 없이 교번 응력이 가해진 250MPa에서 1,000만 주기를 견뎌냈습니다. 벽 두께가 2.0mm이고 잔류 압축이 낮은 샘플은 동일한 적용된 응력에서 200만 주기 후에 파손되었습니다. 더 얇은 피복은 절대 벽 두께가 더 얇음에도 불구하고 부식 피로 수명을 5배 더 연장했습니다.
잔류 응력 이점과 벽 두께 여유 간의 균형-
벽이 얇은 외장의 부식 피로 이점은 균열이 시작된 후 재료 마진 감소와 균형을 이루어야 합니다. 잔류 압축률이 높은 0.9mm 피복은 수백만 주기 동안 균열 발생을 방지할 수 있습니다. 그러나 일단 균열이 잔류 응력장을 극복하면(아마도 큰 표면 구멍이나 일시적인 과부하로 인해) 천공되기 전에 재료의 0.9mm만 전파해야 합니다. 잔류 압축이 낮은 2.0mm 피복은 더 적은 주기 후에 균열을 일으킬 수 있지만 균열이 2.0mm를 통과해야 파손이 발생합니다. 실패까지의 총 수명은 초기 수명과 전파 수명의 합입니다. 60°C 해수에서 회전 빔 부식 피로 테스트의 실험 데이터는 200MPa 교번 응력에서 외경 10mm 316 보호관에 대해 다음과 같은 파손까지의 총 주기를 보여줍니다. 0.8mm 보호관은 총 1,200만 주기(개시 1,150만 회, 전파 50만 회)를 달성했습니다. 1.2mm 피복은 개시에 700만 회, 전파에 100만 회를 포함하여 800만 주기를 달성했습니다. 1.6mm 보호관은 개시에 300만 회, 전파에 200만 회를 포함하여 500만 주기를 달성했습니다. 2.0mm 보호관은 350만 주기(개시 150만 주기, 전파 200만 주기)를 달성했습니다. 잔류 압축률이 높은 얇은{35}}벽 피복은 전파 마진이 최소화됨에도 불구하고 전체 수명이 가장 깁니다.
해양 환경에 대한 부식 피로 수명 선택 매트릭스
다음 표는 예상되는 주기 응력 진폭과 필요한 서비스 수명을 기준으로 해양 환경의 전기 투입형 히터에 권장되는 316 외장 벽 두께를 제공합니다. 값은 30~60°C에서 해수 또는 기수에 지속적으로 노출되고 -스웨지 후 어닐링 없이 표준 스웨이징 공정을 가정합니다.
| 예상되는 순환 응력 진폭 | 필요한 서비스 수명 | 권장 316 외피 벽 두께 | 주요 실패 모드 | 설계 이론적 근거 |
|---|---|---|---|---|
| 낮음, 50MPa 미만 | 10년 이상 | 1.2 – 1.6mm | 틈새 부식 | 잔류 스트레스 혜택은 덜 중요합니다. 부식 허용은 두께를 결정합니다 |
| 보통, 50~150MPa | 5~10년 | 1.0 – 1.2mm | 부식 피로 시작 | 얇은 벽은 균열 방지를 위해 높은 잔류 압축을 제공합니다. |
| 보통, 50~150MPa | 10년 이상 | 1.4 – 1.6 mm(포스트-스웨이지 어닐링 포함) | 개시 후 전파 | 어닐링은 잔류 응력 이점을 제거합니다. 두께 여유에 의존 |
| 높음, 150 – 250MPa | 3~5년 | 0.8 – 1.0mm | 부식 피로 시작 | 최대 잔류 압축이 필수입니다. 더 짧은 서비스 수명을 수용 |
| 높음, 150 – 250MPa | 5년 이상 | 316에서는 실현 불가능 | 과부하 또는 급속한 균열 | Incoloy 825 또는 티타늄으로 업그레이드 |
| 과부하가 자주 발생하는 변수 | 모든 서비스 수명 | 1.6 – 2.0mm | 예상치 못한 균열 이후의 전파 | 두께 여유로 예측할 수 없는 이벤트로부터 보호 |
진동, 열팽창 주기 또는 압력 변동으로 인해 주기적 응력이 발생하는 응용 분야의 경우 응력 진폭을 측정하거나 추정하는 것이 필수적입니다. 측정이 불가능할 경우 적당한 응력 수준을 100MPa로 가정하는 것이 보수적인 기본값입니다. 이러한 경우 1.2mm 벽 두께는 잔류 응력 이점과 전파 여유 사이에서 최상의 균형을 제공합니다. 엔지니어는 또한 높은 주기의 응용 분야를 위한 두꺼운-외피에 대해 -철물 후 어닐링 지정을 고려해야 합니다.- 1,050°C에서의 어닐링은 잔류 응력을 완전히 제거하여 얇은 벽의 부식 피로 이점을 제거할 뿐만 아니라 균열 전파에 기여할 수 있는 내부 표면의 인장 잔류 응력도 제거합니다. 어닐링된 1.6mm 외장은 전체 피로 수명 측면에서 어닐링되지 않은 1.2mm 외장과 유사하게 작동하며, 얇은 벽에 의존하지 않고 긴 사용 수명을 달성할 수 있는 대안을 제공합니다. 잔류 응력이 높은 얇은 벽과 어닐링이 적용된 두꺼운 벽 사이의 선택은 제조 역량과 비용에 따라 달라집니다. 진동이 있지만 심각하지 않은 대부분의 해양 응용 분야의 경우 표준 스웨이징을 사용한 1.2~1.4mm 벽 두께는 특별한 처리 없이도 안정적인 부식 피로 성능을 제공합니다.
