Czynniki ograniczają temperaturę pracy
Typowe zastosowania wymagające wystawienia materiałów duplex na działanie wysokiej temperatury to zbiorniki ciśnieniowe, łopatki/wirniki wentylatorów lub płuczki gazów spalinowych.Wymagania dotyczące właściwości materiału mogą wahać się od wysokiej wytrzymałości mechanicznej po odporność na korozję. Skład chemiczny gatunków omawianych w tym artykule wymieniono w tabeli 1.
Rozkład spinodalny
Rozkład spinodalny (nazywany również demiksacją lub historycznie kruchością w temperaturze 475 ° C) to rodzaj rozdzielania faz w fazie ferrytycznej, który zachodzi w temperaturach około 475 ° C.Najbardziej wyraźnym efektem jest zmiana mikrostruktury, powodująca utworzenie fazy α, co skutkuje kruchością materiału.To z kolei ogranicza wydajność produktu końcowego.
Rysunek 1 przedstawia wykres przejścia temperatury w czasie (TTT) dla badanych materiałów dupleksowych, z rozkładem spinodalnym przedstawionym w zakresie 475 ° C.Należy zauważyć, że ten wykres TTT przedstawia spadek wytrzymałości o 50%, mierzony w badaniu udarności na próbkach Charpy-V, co jest zwykle akceptowane jako wskazujące na kruchość.W niektórych zastosowaniach akceptowalny może być większy spadek ciągliwości, co zmienia kształt wykresu TTT.Dlatego decyzja o ustaleniu konkretnej maksymalnej OT zależy od tego, co uważa się za akceptowalny poziom kruchości, tj. zmniejszenie twardości produktu końcowego.Należy wspomnieć, że w przeszłości wykresy TTT były również tworzone przy użyciu ustalonego progu, takiego jak 27J.
Wyższe gatunki stopowe
Rysunek 1 pokazuje, że zwiększenie zawartości pierwiastków stopowych z gatunku LDX 2101 w stronę gatunku SDX 2507 prowadzi do szybszego rozkładu, podczas gdy chudy dupleks wykazuje opóźniony początek rozkładu.Wpływ pierwiastków stopowych, takich jak chrom (Cr) i nikiel (Ni) na rozkład spinodalny i kruchość, wykazano w poprzednich badaniach.5-8 Efekt ten szerzej zilustrowano na rysunku 2. Pokazuje, że rozkład spinodalny wzrasta wraz ze wzrostem temperatury wzrasta z 300 do 350°C i przebiega szybciej w przypadku wysokostopowego gatunku SDX 2507 niż w przypadku mniej stopowego DX 2205.
To zrozumienie może mieć kluczowe znaczenie, pomagając klientom w podjęciu decyzji o maksymalnym OT odpowiednim dla wybranego przez nich gatunku i zastosowania.
Określanie temperatury maksymalnej
Jak wspomniano wcześniej, maksymalną OT dla materiału duplex można ustawić zgodnie z akceptowalnym spadkiem udarności.Zwykle przyjmuje się OT odpowiadającą wartości 50% redukcji ciągliwości.
OT zależy od temperatury i czasu
Nachylenie ogonów krzywych na wykresie TTT na ryc. 1 pokazuje, że rozkład spinodalny nie zachodzi tylko przy jednej temperaturze progowej i nie zatrzymuje się poniżej tego poziomu.Jest to raczej proces ciągły, w którym materiały duplex są poddawane działaniu temperatur roboczych poniżej 475°C.Jest jednak również jasne, że ze względu na niższe szybkości dyfuzji, niższe temperatury oznaczają, że rozkład rozpocznie się później i będzie przebiegał znacznie wolniej.Dlatego używanie materiału duplex w niższych temperaturach może nie powodować problemów przez lata, a nawet dziesięciolecia.Jednak obecnie istnieje tendencja do ustalania maksymalnego OT bez uwzględnienia czasu ekspozycji.Kluczowym pytaniem jest zatem, jaką kombinację temperatury i czasu należy zastosować, aby zdecydować, czy użycie materiału jest bezpieczne, czy nie?Herzman i in.10 ładnie podsumowują ten dylemat: „…Zastosowanie będzie wówczas ograniczone do temperatur, w których kinetyka odmieszania jest tak niska, że nie wystąpi w ciągu zaprojektowanego technicznego okresu użytkowania produktu…”.
Wpływ spawania
W większości zastosowań do łączenia komponentów wykorzystuje się spawanie.Powszechnie wiadomo, że mikrostruktura spoiny i jej skład chemiczny różnią się od materiału podstawowego 3 .W zależności od materiału dodatkowego, techniki spawania i parametrów spawania, mikrostruktura spoin w większości różni się od materiału sypkiego.Mikrostruktura jest zwykle grubsza, co obejmuje również strefę wpływu ciepła o wysokiej temperaturze (HTHAZ), która wpływa na rozkład spinodalny w spawach.Tematem omawianym tutaj jest zróżnicowanie mikrostruktury pomiędzy masą a konstrukcjami spawanymi.
Podsumowanie czynników ograniczających
Poprzednie części prowadzą do następujących wniosków:
- Wszystkie materiały duplex podlegają
do rozkładu spinodalnego w temperaturach około 475 °C. - W zależności od zawartości stopu oczekuje się szybszego lub wolniejszego rozkładu.Wyższa zawartość Cr i Ni sprzyja szybszemu rozmieszaniu.
- Aby ustawić maksymalną temperaturę roboczą:
– Należy wziąć pod uwagę kombinację czasu pracy i temperatury.
– Należy ustawić akceptowalny poziom spadku twardości, tj. należy ustawić pożądany poziom końcowej twardości - W przypadku wprowadzenia dodatkowych elementów mikrostrukturalnych, takich jak spoiny, maksymalna OT jest określana przez najsłabszą część.
Globalne standardy
Na potrzeby tego projektu dokonano przeglądu kilku norm europejskich i amerykańskich.Skoncentrowali się na zastosowaniach w zbiornikach ciśnieniowych i elementach rurociągów.Ogólnie rzecz biorąc, rozbieżności dotyczące zalecanego maksymalnego OT wśród recenzowanych standardów można podzielić na stanowisko europejskie i amerykańskie.
Europejskie normy dotyczące specyfikacji materiałów dla stali nierdzewnych (np. EN 10028-7, EN 10217-7) zakładają maksymalną temperaturę OT wynoszącą 250°C, ponieważ właściwości materiału są zapewniane tylko do tej temperatury.Co więcej, europejskie normy projektowe dotyczące zbiorników ciśnieniowych i rurociągów (odpowiednio EN 13445 i EN 13480) nie podają żadnych dalszych informacji na temat maksymalnej OT w stosunku do tego, co podano w ich normach materiałowych.
Natomiast amerykańska specyfikacja materiałowa (np. ASME SA-240 w sekcji II-A ASME) w ogóle nie podaje żadnych danych o podwyższonych temperaturach.Dane te są zamiast tego podane w sekcji II-D ASME, „Właściwości”, która obsługuje ogólne przepisy konstrukcyjne dotyczące zbiorników ciśnieniowych, sekcja VIII-1 i VIII-2 ASME (te ostatnie oferują bardziej zaawansowaną ścieżkę projektowania).W ASME II-D maksymalna OT jest wyraźnie określona jako 316 ° C dla większości stopów duplex.
W przypadku zastosowań w rurociągach ciśnieniowych zarówno zasady projektowania, jak i właściwości materiałów podano w ASME B31.3.W tym kodzie podano dane mechaniczne dla stopów duplex do 316°C bez wyraźnego określenia maksymalnej OT.Niemniej jednak można interpretować informacje zgodnie z tym, co jest napisane w ASME II-D, a zatem maksymalna temperatura OT dla amerykańskich standardów wynosi w większości przypadków 316 °C.
Oprócz maksymalnej informacji o OT, zarówno normy amerykańskie, jak i europejskie wskazują, że istnieje ryzyko wystąpienia kruchości w podwyższonych temperaturach (> 250 °C) przy dłuższych czasach ekspozycji, co należy następnie uwzględnić zarówno w fazie projektowania, jak i użytkowania.
W przypadku spoin większość norm nie podaje żadnych jednoznacznych stwierdzeń na temat wpływu rozkładu spinodalnego.Jednakże niektóre normy (np. ASME VIII-1, Tabela UHA 32-4) wskazują na możliwość wykonania określonej obróbki cieplnej po spawaniu.Nie są one ani wymagane, ani zakazane, jednak przy ich wykonywaniu należy postępować według parametrów określonych w normie.
Co mówi branża
Informacje dostarczone przez kilku innych producentów stali nierdzewnej typu duplex zostały przejrzane, aby sprawdzić, co przekazują na temat zakresów temperatur dla ich gatunków.2205 jest ograniczony przez ATI do 315°C, ale Acerinox ustawia OT dla tego samego gatunku na jedynie 250°C.Są to górne i dolne granice OT dla gatunku 2205, natomiast pomiędzy nimi inne OT są podawane przez Aperam (300°C), Sandvik (280°C) i ArcelorMittal (280°C).To pokazuje powszechność sugerowanych maksymalnych wartości OT tylko dla jednego gatunku, który będzie miał bardzo porównywalne właściwości w zależności od producenta.
Nie zawsze ujawnia się uzasadnienie, dlaczego producent ustalił określony OT.W większości przypadków opiera się to na jednym konkretnym standardzie.Różne standardy komunikują różne OT, stąd rozpiętość wartości.Logicznym wnioskiem jest to, że firmy amerykańskie ze względu na stwierdzenia zawarte w normie ASME ustalają wyższą wartość, natomiast firmy europejskie ze względu na normę EN ustalają niższą wartość.
Czego potrzebują klienci?
W zależności od końcowego zastosowania oczekuje się różnych obciążeń i ekspozycji materiałów.W tym projekcie najbardziej interesująca była kruchość spowodowana rozkładem spinodalnym, ponieważ ma ona szerokie zastosowanie w przypadku zbiorników ciśnieniowych.
Istnieją jednak różne zastosowania, w których gatunki duplex są narażone jedynie na średnie obciążenia mechaniczne, np. płuczki11–15.Kolejne zapotrzebowanie dotyczyło łopatek i wirników wentylatorów, które są narażone na obciążenia zmęczeniowe.Z literatury wynika, że rozkład spinodalny zachowuje się inaczej pod wpływem obciążenia zmęczeniowego15.Na tym etapie staje się jasne, że maksymalnego OT w tych zastosowaniach nie można ustawić w taki sam sposób, jak w przypadku zbiorników ciśnieniowych.
Inna klasa wymagań dotyczy wyłącznie zastosowań związanych z korozją, takich jak morskie płuczki gazów spalinowych.W takich przypadkach odporność na korozję jest ważniejsza niż ograniczenie OT pod obciążeniem mechanicznym.Obydwa czynniki mają jednak wpływ na działanie produktu końcowego, co należy wziąć pod uwagę przy wyznaczaniu maksymalnego OT.Ponownie, ta sprawa różni się od dwóch poprzednich spraw.
Ogólnie rzecz biorąc, doradzając klientowi w sprawie odpowiedniego maksymalnego OT dla jego gatunku duplex, rodzaj zastosowania ma ogromne znaczenie przy ustalaniu wartości.To dodatkowo pokazuje złożoność ustalenia jednego OT dla gatunku, ponieważ środowisko, w którym materiał jest stosowany, ma znaczący wpływ na proces kruchości.
Jaka jest maksymalna temperatura pracy w trybie duplex?
Jak wspomniano, maksymalną temperaturę roboczą wyznacza bardzo niska kinetyka rozkładu spinodalnego.Ale jak mierzymy tę temperaturę i czym dokładnie są „niskie kinetyki”?Odpowiedź na pierwsze pytanie jest łatwa.Stwierdziliśmy już, że powszechnie wykonuje się pomiary wytrzymałości w celu oszacowania szybkości i postępu rozkładu.Jest to określone w standardach stosowanych przez większość producentów.
Drugie pytanie, co należy rozumieć przez niską kinetykę i wartość, przy której ustalamy granicę temperatury, jest bardziej złożone.Dzieje się tak częściowo dlatego, że warunki brzegowe temperatury maksymalnej są zestawiane zarówno na podstawie samej temperatury maksymalnej (T), jak i czasu pracy (t), w którym ta temperatura się utrzymuje.Aby zweryfikować tę kombinację Tt, można zastosować różne interpretacje „najniższej” wytrzymałości:
• Dolna granica, która jest ustalana historycznie i którą można zastosować w przypadku spoin, wynosi 27 dżuli (J)
• W normach jako wartość graniczną przyjmuje się przeważnie 40J.
• Do ustalenia dolnej granicy często stosuje się także zmniejszenie początkowej wytrzymałości o 50%.
Oznacza to, że stwierdzenie dotyczące maksymalnego OT musi opierać się na co najmniej trzech uzgodnionych założeniach:
• Ekspozycja temperaturowo-czasowa produktu końcowego
• Dopuszczalna minimalna wartość udarności
• Ostateczny obszar zastosowania (tylko chemia, obciążenie mechaniczne tak/nie itp.)
Połączona wiedza eksperymentalna
Po szeroko zakrojonym przeglądzie danych eksperymentalnych i norm możliwe było zestawienie zaleceń dla czterech analizowanych gatunków dupleksów, patrz tabela 3. Należy zauważyć, że większość danych pochodzi z eksperymentów laboratoryjnych przeprowadzonych przy krokach temperaturowych co 25 °C .
Należy również zauważyć, że zalecenia te odnoszą się do co najmniej 50% wytrzymałości pozostałej w temperaturze pokojowej.Kiedy w tabeli wskazano „dłuższy okres czasu”, nie udokumentowano znaczącego spadku w RT.Co więcej, spoina została przetestowana tylko w temperaturze -40°C.Na koniec należy zauważyć, że dla DX 2304 przewiduje się dłuższy czas ekspozycji, biorąc pod uwagę jego wysoką wytrzymałość po 3000 godzinach testów.Jednakże stopień, w jakim można zwiększyć narażenie, należy zweryfikować w drodze dalszych badań.
Należy zwrócić uwagę na trzy ważne punkty:
• Obecne ustalenia wskazują, że w przypadku występowania spawów OT spada o około 25°C.
• Krótkoterminowe skoki temperatury (dziesiątki godzin w T=375°C) są akceptowalne dla DX 2205. Ponieważ DX 2304 i LDX 2101 są gatunkami niskostopowymi, porównywalne krótkotrwałe skoki temperatury również powinny być akceptowalne.
• Gdy materiał staje się kruchy w wyniku rozkładu, łagodząca obróbka cieplna w temperaturze 550 – 600 °C dla DX 2205 i 500 °C dla SDX 2507 przez 1 godzinę pomaga odzyskać wytrzymałość o 70%.
Czas publikacji: 04 lutego 2023 r