Per gli ingegneri marini che richiedono riscaldatori elettrici ad immersione per piattaforme offshore, sistemi di bordo e impianti industriali costieri, la combinazione di carico meccanico ciclico e corrosione da cloruro crea un meccanismo di guasto particolarmente aggressivo noto come fatica da corrosione. A differenza della pura fatica in aria o della pura corrosione in condizioni statiche, la fatica da corrosione produce l’innesco di cricche con ampiezze di sollecitazione significativamente inferiori e cicli di vita più brevi. Le tensioni residue introdotte durante il processo di pressatura-utilizzato per compattare l'isolamento in ossido di magnesio attorno al filo resistivo-interagiscono con le sollecitazioni di servizio per accelerare o ritardare la crescita delle crepe a seconda del loro segno e della loro entità. Questo articolo quantifica in che modo lo spessore della parete di una guaina in acciaio inossidabile 316 influisce sulla distribuzione delle sollecitazioni residue dopo la pressatura e in che modo queste sollecitazioni residue modificano la durata a fatica da corrosione in ambienti marini.
Generazione di stress residuo durante la pressatura di 316 guaine
Quando un tubo di acciaio inossidabile 316 viene forgiato da un diametro maggiore a un diametro minore attorno al nucleo riempito di MgO-, il processo induce un caratteristico modello di sollecitazione residua. La superficie esterna della guaina è sottoposta a tensioni residue di compressione perché gli stampi di pressatura martellano il materiale verso l'interno, mentre la superficie interna è sottoposta a tensioni residue di trazione quando l'MgO compattato spinge verso l'esterno durante il ritorno elastico. L'entità di queste tensioni residue dipende dallo spessore della parete rispetto alla riduzione del diametro. Per una guaina a parete sottile--sotto 1,0 mm-la forza di rastremazione penetra quasi l'intero spessore della parete, producendo elevate sollecitazioni di compressione sulla superficie esterna (tipicamente da -200 a -300 MPa) e moderate sollecitazioni di trazione sulla superficie interna (da +50 a +100 MPa). Per una guaina con pareti spesse--superiore a 1,8 mm-la forza di rastremazione viene assorbita principalmente negli strati esterni, producendo elevate sollecitazioni di compressione solo vicino alla superficie esterna lasciando gli strati interni relativamente inalterati. Anche le sollecitazioni di trazione sulla superficie interna sono inferiori perché la compattazione di MgO è meno completa, come discusso nell'Articolo 12. Le misurazioni di diffrazione dei raggi X della sollecitazione residua nelle guaine pressate 316 confermano questa relazione. Una guaina di parete di 0,9 mm ha mostrato uno stress di compressione superficiale di -280 MPa. Una guaina di parete da 1,5 mm ha mostrato -180 MPa. Una guaina di parete da 2,0 mm ha mostrato solo -120 MPa. La guaina più sottile immagazzina lo stress di compressione più vantaggioso sulla superficie esterna, il punto in cui in genere iniziano le cricche da fatica da corrosione.
Come lo stress compressivo residuo ritarda l'innesco di crepe da fatica e corrosione
L'innesco di cricche da fatica per corrosione nell'acciaio inossidabile 316 richiede sia uno stress di trazione ciclico che un elettrolita corrosivo contenente cloruri. La fessura inizia in corrispondenza di una cavità superficiale o di un'inclusione in cui la pellicola protettiva passiva si è rotta. Se la superficie è in uno stato di sollecitazione di compressione residua, la sollecitazione di trazione ciclica applicata deve prima superare questa compressione prima che il materiale subisca una tensione netta all'apice della fessura. Ciò aumenta effettivamente la soglia di stress per l'innesco della cricca. Per una guaina 316 da 0,9 mm con compressione residua superficiale di -280 MPa, una sollecitazione ciclica applicata di +200 MPa produce solo -80 MPa netti sulla superficie, ancora compressiva e incapace di innescare una cricca da fatica. Solo quando lo stress ciclico applicato supera +280 MPa la superficie subisce una tensione netta. Al contrario, una guaina da 2,0 mm con una compressione superficiale di soli -120 MPa subisce una tensione netta quando lo stress applicato supera +120 MPa, una soglia molto più bassa. I test di fatica da corrosione in acqua di mare sintetica a 60°C confermano questo effetto. I campioni con spessore della parete di 0,9 mm ed elevata compressione residua sono sopravvissuti a 10 milioni di cicli a 250 MPa applicati a sollecitazioni alternate senza innesco di crepe. I campioni con spessore di parete di 2,0 mm e bassa compressione residua hanno ceduto dopo 2 milioni di cicli con la stessa sollecitazione applicata. La guaina più sottile ha fornito una durata alla fatica da corrosione cinque volte più lunga pur avendo uno spessore assoluto della parete inferiore.
Il compromesso-tra il beneficio dello stress residuo e il margine sullo spessore delle pareti
Il vantaggio della fatica da corrosione delle guaine a parete sottile-deve essere bilanciato rispetto al margine ridotto del materiale una volta che si verifica una fessura. Una guaina da 0,9 mm con elevata compressione residua può resistere all'innesco di cricche per milioni di cicli. Tuttavia, una volta che una fessura supera il campo di tensioni residue-ad esempio, a causa di un'ampia cavità superficiale o di un sovraccarico transitorio-deve propagarsi solo attraverso 0,9 mm di materiale prima della perforazione. Una guaina da 2,0 mm con una compressione residua inferiore può innescare una fessura dopo un minor numero di cicli, ma la fessura deve attraversare 2,0 mm per causare la rottura. La vita totale fino al fallimento è la somma della vita di iniziazione e della vita di propagazione. I dati sperimentali provenienti dai test di fatica per corrosione della trave rotante in acqua di mare a 60°C mostrano i seguenti cicli totali di rottura per guaine 316 con diametro esterno di 10 mm a sollecitazione alternata di 200 MPa. Una guaina da 0,8 mm ha raggiunto un totale di 12 milioni di cicli (11,5 milioni di inizio, 0,5 milioni di propagazione). Una guaina da 1,2 mm ha raggiunto 8 milioni di cicli (7 milioni di inizio, 1 milione di propagazione). Una guaina da 1,6 mm ha raggiunto 5 milioni di cicli (3 milioni di inizio, 2 milioni di propagazione). Una guaina da 2,0 mm ha raggiunto 3,5 milioni di cicli (1,5 milioni di inizio, 2 milioni di propagazione). La guaina a pareti sottili-con elevata compressione residua garantisce la durata totale più lunga nonostante il margine di propagazione minimo.
Matrice di selezione della durata della fatica da corrosione per ambienti marini
La tabella seguente fornisce gli spessori delle pareti della guaina 316 consigliati per i riscaldatori elettrici a immersione in ambienti marini in base all'ampiezza dello stress ciclico previsto e alla durata di servizio richiesta. I valori presuppongono un'esposizione continua all'acqua di mare o salmastra a 30–60°C e processi di pressatura standard senza ricottura post-.
| Ampiezza prevista dello stress ciclico | Vita utile richiesta | Spessore consigliato della parete della guaina 316 | Modalità di fallimento dominante | Logica di progettazione |
|---|---|---|---|---|
| Basso (< 50 MPa) | >10 anni | 1,2 – 1,6 mm | Corrosione interstiziale | Il beneficio dello stress residuo è meno importante; il margine di corrosione determina lo spessore |
| Moderato (50 – 150 MPa) | 5 – 10 anni | 1,0 – 1,2 mm | Inizio della fatica da corrosione | La parete sottile fornisce un'elevata compressione residua per la prevenzione delle crepe |
| Moderato (50 – 150 MPa) | >10 anni | 1,4 – 1,6 mm con ricottura post-pressatura | Propagazione dopo l'iniziazione | La ricottura rimuove il beneficio dello stress residuo; fare affidamento sul margine di spessore |
| Alto (150 – 250 MPa) | 3 – 5 anni | 0,8 – 1,0 mm | Inizio della fatica da corrosione | Massima compressione residua essenziale; accettare una durata di servizio più breve |
| Alto (150 – 250 MPa) | >5 anni | Non fattibile con 316 | Sovraccarico o rottura rapida | Passa a Incoloy 825 o titanio |
| Variabile con frequenti sovraccarichi | Qualunque | 1,6 – 2,0 mm | Propagazione dopo crepa inaspettata | Il margine di spessore protegge da eventi imprevedibili |
Per le applicazioni in cui le sollecitazioni cicliche derivano da vibrazioni, cicli di dilatazione termica o fluttuazioni di pressione, è essenziale misurare o stimare l'ampiezza della sollecitazione. Se la misurazione è impossibile, assumere un livello di stress moderato di 100 MPa è un valore predefinito conservativo. In questi casi, uno spessore di parete di 1,2 mm offre il miglior equilibrio tra beneficio della tensione residua e margine di propagazione. Gli ingegneri dovrebbero anche prendere in considerazione la possibilità di specificare la ricottura post-stampaggio per guaine a pareti spesse-destinate ad applicazioni a ciclo elevato-. La ricottura a 1.050°C rimuove completamente le tensioni residue, eliminando il beneficio della fatica da corrosione delle pareti sottili ma eliminando anche le tensioni residue di trazione sulla superficie interna che possono contribuire alla propagazione delle cricche. Una guaina ricotta da 1,6 mm si comporta in modo simile a una guaina non ricotta da 1,2 mm in termini di durata a fatica totale, fornendo un percorso alternativo per ottenere una lunga durata di servizio senza fare affidamento su pareti sottili. La scelta tra pareti sottili con elevata tensione residua e pareti spesse con ricottura dipende dalle capacità di produzione e dai costi. Per la maggior parte delle applicazioni marine in cui le vibrazioni sono presenti ma non gravi, uno spessore di parete di 1,2–1,4 mm con pressatura standard fornisce prestazioni affidabili alla fatica da corrosione senza richiedere lavorazioni speciali.
