Фактори обмеження робочих температур
Типовими застосуваннями, які вимагають, щоб дуплексні матеріали піддавалися впливу високих температур, є резервуари під тиском, лопаті/крильчатки вентиляторів або скрубери вихлопних газів.Вимоги до властивостей матеріалу можуть варіюватися від високої механічної міцності до стійкості до корозії. Хімічний склад марок, розглянутих у цій статті, наведено в таблиці 1.
Спінодальний розпад
Спінодальний розпад (також названий деміксуванням або історично окрихченням при 475 °C) — це тип поділу фаз у феритній фазі, який відбувається при температурах близько 475 °C.Найбільш вираженим ефектом є зміна мікроструктури, що викликає утворення α´-фази, що призводить до окрихчення матеріалу.Це, у свою чергу, обмежує продуктивність кінцевого продукту.
На рисунку 1 показана діаграма температурного переходу в часі (ТТТ) для досліджуваних дуплексних матеріалів зі спінодальним розкладанням, представленим в районі 475 °C.Слід зазначити, що ця діаграма ТТТ відображає зниження в'язкості на 50%, виміряну за допомогою випробувань на ударну в'язкість зразків Шарпі-V, що зазвичай вважається ознакою крихкості.У деяких застосуваннях може бути прийнятним більше зниження міцності, що змінює форму діаграми ТТТ.Таким чином, рішення про встановлення конкретного максимального OT залежить від того, який рівень крихкості вважається прийнятним, тобто зниження міцності кінцевого продукту.Слід зазначити, що історично TTT-графіки також створювалися з використанням встановленого порогу, такого як 27 Дж.
Вищі леговані марки
На малюнку 1 показано, що збільшення вмісту легуючих елементів від марки LDX 2101 до марки SDX 2507 призводить до швидшої швидкості розкладання, тоді як бідний дуплекс демонструє відстрочений початок розкладання.Вплив легуючих елементів, таких як хром (Cr) і нікель (Ni), на спінодальне розкладання та окрихчення було показано попередніми дослідженнями.5–8 Цей ефект додатково проілюстровано на малюнку 2. Він показує, що спінодальний розпад посилюється, коли температура підвищується від 300 до 350 °C і є більш швидким для високолегованого класу SDX 2507, ніж для менш легованого DX 2205.
Це розуміння може мати вирішальне значення для надання допомоги клієнтам у виборі максимального OT, який підходить для їх обраного класу та застосування.
Визначення максимальної температури
Як згадувалося раніше, максимальний OT для дуплексного матеріалу можна встановити відповідно до прийнятного зниження ударної в'язкості.Як правило, приймається OT, що відповідає значенню 50% зниження в'язкості.
OT залежить від температури та часу
Нахил у хвостах кривих на діаграмі ТТТ на малюнку 1 демонструє, що спінодальний розпад не відбувається лише при одній пороговій температурі та не зупиняється нижче цього рівня.Скоріше, це постійний процес, коли дуплексні матеріали піддаються робочій температурі нижче 475 °C.Однак також зрозуміло, що через нижчі швидкості дифузії нижчі температури означають, що розкладання почнеться пізніше і буде відбуватися набагато повільніше.Таким чином, використання дуплексного матеріалу при нижчих температурах може не викликати проблем роками або навіть десятиліттями.Проте зараз існує тенденція встановлювати максимальний ОТ без урахування часу експозиції.Отже, ключове питання полягає в тому, яку комбінацію температури та часу слід використовувати, щоб вирішити, чи безпечно використовувати матеріал чи ні?Herzman et al.10 гарно резюмують цю дилему: «…Тоді використання буде обмежено температурами, де кінетика розлуження настільки низька, що це не відбуватиметься протягом запланованого технічного терміну служби продукту…».
Вплив зварювання
У більшості випадків для з’єднання компонентів використовується зварювання.Добре відомо, що мікроструктура зварного шва та його хімічний склад відрізняються від основного матеріалу 3 .Залежно від присадочного матеріалу, техніки зварювання та параметрів зварювання мікроструктура зварних швів значною мірою відрізняється від сипучого матеріалу.Мікроструктура зазвичай більш груба, і це також включає зону високотемпературного термічного впливу (HTHAZ), яка впливає на спінодальний розпад у зварних виробах.Варіація мікроструктури об’ємних і зварних виробів є темою, розглянутою тут.
Узагальнення лімітуючих факторів
З попередніх розділів можна зробити такі висновки:
- Підлягають усі дуплексні матеріали
до спінодального розкладання при температурах близько 475 °C. - Залежно від вмісту сплаву очікується швидший або повільніший темп розкладання.Більш високий вміст Cr і Ni сприяє швидшому змішуванню.
- Щоб встановити максимальну робочу температуру:
– Слід враховувати поєднання тривалості роботи та температури.
– Необхідно встановити прийнятний рівень зниження в’язкості, тобто бажаний рівень кінцевої в’язкості - При введенні додаткових мікроструктурних компонентів, наприклад зварних швів, максимальний ОТ визначається найслабшою частиною.
Світові стандарти
Для цього проекту було переглянуто декілька європейських та американських стандартів.Вони зосереджені на застосуванні в посудинах під тиском і компонентах трубопроводів.Загалом, розбіжність щодо рекомендованого максимального OT серед розглянутих стандартів можна розділити на європейську та американську точки зору.
Європейські стандарти специфікації матеріалів для нержавіючої сталі (наприклад, EN 10028-7, EN 10217-7) передбачають максимальну OT 250 °C через те, що властивості матеріалу забезпечуються лише до цієї температури.Крім того, європейські стандарти проектування посудин під тиском і трубопроводів (EN 13445 і EN 13480, відповідно) не дають жодної додаткової інформації про максимальний OT, ніж те, що наведено в їхніх стандартах на матеріали.
Навпаки, американська специфікація матеріалів (наприклад, ASME SA-240 розділу II-A ASME) взагалі не містить даних про підвищену температуру.Натомість ці дані надаються в розділі ASME II-D, «Властивості», який підтримує загальні норми конструкції для посудин під тиском, розділи VIII-1 і VIII-2 ASME (останні пропонують більш розширений шлях проектування).В ASME II-D максимальна OT явно вказана як 316 °C для більшості дуплексних сплавів.
Для застосувань напірних трубопроводів як правила проектування, так і властивості матеріалу наведені в ASME B31.3.У цьому коді наведено механічні дані для дуплексних сплавів до 316 °C без чіткого визначення максимального OT.Тим не менш, ви можете інтерпретувати інформацію відповідно до того, що написано в ASME II-D, і, таким чином, максимальна OT для американських стандартів у більшості випадків становить 316 °C.
На додаток до інформації про максимальний OT, як американські, так і європейські стандарти вказують на наявність ризику виникнення крихкості при підвищених температурах (>250 °C) за більш тривалого часу впливу, що слід враховувати як на етапі проектування, так і на етапі обслуговування.
Для зварних швів більшість стандартів не містять твердих заяв про вплив спінодального розкладання.Однак деякі стандарти (наприклад, ASME VIII-1, таблиця UHA 32-4) вказують на можливість виконання спеціальних термічних обробок після зварювання.Вони не є ні обов’язковими, ні забороненими, але при їх виконанні вони повинні виконуватися відповідно до попередньо встановлених параметрів у стандарті.
Що говорить галузь
Інформацію, надану декількома іншими виробниками дуплексної нержавіючої сталі, було переглянуто, щоб дізнатися, що вони повідомляють щодо температурних діапазонів для своїх марок.2205 обмежено 315 °C ATI, але Acerinox встановлює OT для того самого класу лише на 250 °C.Це верхня та нижня межі OT для марки 2205, а між ними інші OT повідомляються Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) і ArcelorMittal (280 °C).Це демонструє широке поширення запропонованих максимальних OT лише для одного сорту, який матиме дуже порівняні властивості від виробника до виробника.
Основні аргументи щодо того, чому виробник встановив певний OT, не завжди розкриваються.У більшості випадків це базується на одному конкретному стандарті.Різні стандарти передають різні OT, отже, розкид цінностей.Логічний висновок полягає в тому, що американські компанії встановлюють вищі значення через твердження в стандарті ASME, тоді як європейські компанії встановлюють нижчі значення через стандарт EN.
Що потрібно клієнтам?
Залежно від кінцевого застосування очікуються різні навантаження та експозиції матеріалів.У цьому проекті найбільший інтерес представляло окрихчення внаслідок спінодального розкладання, оскільки воно дуже застосовне до посудин під тиском.
Однак існують різні види застосування, які піддають дуплексні сорти тільки середнім механічним навантаженням, наприклад скрубери11–15.Ще один запит стосувався лопатей і робочих коліс вентилятора, які піддаються втомним навантаженням.Літературні дані показують, що спінодальне розкладання поводиться по-різному при застосуванні втомного навантаження15.На цьому етапі стає зрозуміло, що максимальний OT для цих застосувань не можна встановити так само, як для посудин під тиском.
Інший клас запитів стосується лише програм, пов’язаних з корозією, наприклад суднових скруберів вихлопних газів.У цих випадках стійкість до корозії є важливішою, ніж обмеження OT під механічним навантаженням.Однак обидва фактори впливають на роботу кінцевого продукту, що слід враховувати при вказівці максимального OT.Знову ж таки, цей випадок відрізняється від двох попередніх випадків.
Загалом, при консультуванні замовника щодо відповідного максимального OT для його дуплексного класу, тип застосування має життєво важливе значення для встановлення значення.Це додатково демонструє складність встановлення єдиного OT для марки, оскільки середовище, в якому розгортається матеріал, має значний вплив на процес окрихчення.
Яка максимальна робоча температура для дуплексу?
Як згадувалося, максимальна робоча температура встановлюється дуже низькою кінетикою спінодального розкладання.Але як ми вимірюємо цю температуру і що таке «низька кінетика»?Відповідь на перше питання нескладна.Ми вже зазначали, що вимірювання міцності зазвичай виконуються для оцінки швидкості та прогресу розкладання.Це встановлено стандартами більшості виробників.
Друге питання про те, що мається на увазі під низькою кінетикою та значенням, при якому ми встановлюємо межу температури, є більш складним.Частково це пояснюється тим, що граничні умови максимальної температури складаються як із самої максимальної температури (T), так і з часу роботи (t), протягом якого ця температура підтримується.Щоб підтвердити цю комбінацію Tt, можна використовувати різні інтерпретації «найнижчої» міцності:
• Нижня межа, яка встановлена історично і може бути застосована для зварних швів, становить 27 Джоулів (Дж)
• У стандартах переважно 40 Дж встановлено як обмеження.
• 50% зниження початкової в'язкості також часто застосовують для встановлення нижньої межі.
Це означає, що твердження щодо максимального OT має ґрунтуватися щонайменше на трьох погоджених припущеннях:
• Температурно-часова витримка кінцевого продукту
• Прийнятне мінімальне значення міцності
• Кінцева область застосування (лише хімія, механічне навантаження так/ні тощо)
Об’єднані експериментальні знання
Після обширного дослідження експериментальних даних і стандартів стало можливим скласти рекомендації для чотирьох дуплексних сортів, що розглядаються, див. Таблицю 3. Слід визнати, що більшість даних отримано в результаті лабораторних експериментів, проведених з кроком температури 25 °C. .
Слід також зазначити, що ці рекомендації посилаються на принаймні 50% міцності, що залишається при RT.Якщо в таблиці вказано «більш тривалий період», не було задокументовано значного зниження RT.Крім того, зварювання було перевірено лише за температури -40 °C.Нарешті, слід зазначити, що для DX 2304 очікується довший час витримки, враховуючи його високу міцність після 3000 годин випробувань.Однак, до якої міри можна збільшити вплив, необхідно перевірити за допомогою подальших випробувань.
Слід звернути увагу на три важливі моменти:
• Поточні дані показують, що за наявності зварних швів OT знижується приблизно на 25 °C.
• Короткочасні стрибки (десятки годин при T=375 °C) прийнятні для DX 2205. Оскільки DX 2304 і LDX 2101 є нижчими легованими марками, порівняльні короткочасні стрибки температури також повинні бути прийнятними.
• Коли матеріал стає крихким внаслідок розкладання, пом’якшувальна термообробка при 550–600 °C для DX 2205 і 500 °C для SDX 2507 протягом 1 години допомагає відновити міцність на 70%.
Час публікації: 04 лютого 2023 р