Факторы, ограничивающие рабочую температуру
Типичными областями применения, где дуплексные материалы должны подвергаться воздействию высоких температур, являются сосуды под давлением, лопасти/крыльчатки вентиляторов или скрубберы выхлопных газов.Требования к свойствам материала могут варьироваться от высокой механической прочности до коррозионной стойкости. Химический состав марок, обсуждаемых в этой статье, приведен в таблице 1.
Спинодальное разложение
Спинодальный распад (также называемый расслоением или исторически охрупчиванием при 475 ° C) представляет собой тип фазового разделения в ферритной фазе, который происходит при температуре около 475 ° C.Наиболее выраженным эффектом является изменение микроструктуры, вызывающее образование α´-фазы, что приводит к охрупчиванию материала.Это, в свою очередь, ограничивает производительность конечного продукта.
На рис. 1 представлена диаграмма температурно-временного перехода (ТТТ) для исследованных дуплексных материалов, при этом спинодальный распад представлен в районе 475 °C.Следует отметить, что эта диаграмма ТТТ отражает снижение ударной вязкости на 50 %, измеренное при испытаниях на ударную вязкость образцов Шарпи-V, что обычно считается показателем охрупчивания.В некоторых случаях допустимо большее снижение ударной вязкости, что меняет форму диаграммы ТТТ.Таким образом, решение об установлении конкретного максимального значения OT зависит от того, что считается приемлемым уровнем охрупчивания, т.е. снижения ударной вязкости конечного продукта.Следует отметить, что исторически TTT-графики также создавались с использованием установленного порога, например 27J.
Высшие легированные марки
На рис. 1 видно, что увеличение легирующих элементов от марки LDX 2101 в сторону марки SDX 2507 приводит к увеличению скорости разложения, тогда как бедный дуплекс демонстрирует более позднее начало разложения.Влияние легирующих элементов, таких как хром (Cr) и никель (Ni), на спинодальный распад и охрупчивание было показано предыдущими исследованиями.5–8 Этот эффект дополнительно иллюстрируется на рисунке 2. Он показывает, что спинодальный распад усиливается при повышении температуры. температура увеличивается с 300 до 350 °C и происходит быстрее для более легированной марки SDX 2507, чем для менее легированной DX 2205.
Это понимание может иметь решающее значение для оказания помощи клиентам в выборе максимального OT, подходящего для выбранного ими класса и применения.
Определение максимальной температуры
Как упоминалось ранее, максимальный OT для дуплексного материала может быть установлен в соответствии с допустимым падением ударной вязкости.Обычно принимается OT, соответствующий значению снижения ударной вязкости на 50%.
ОТ зависит от температуры и времени
Наклон хвостов кривых на диаграмме ТТТ на рисунке 1 демонстрирует, что спинодальный распад не происходит только при одной пороговой температуре и прекращается ниже этого уровня.Скорее, это постоянный процесс, когда дуплексные материалы подвергаются воздействию рабочих температур ниже 475 °C.Однако также ясно, что из-за более низких скоростей диффузии более низкие температуры означают, что разложение начнется позже и будет происходить гораздо медленнее.Таким образом, использование дуплексного материала при более низких температурах может не вызывать проблем в течение многих лет или даже десятилетий.Однако в настоящее время существует тенденция устанавливать максимальное значение ОТ без учета времени воздействия.Поэтому ключевой вопрос заключается в том, какую комбинацию температуры и времени следует использовать, чтобы решить, безопасно ли использовать материал или нет?Херцман и др.10 хорошо резюмируют эту дилемму: «…В этом случае использование будет ограничено температурами, при которых кинетика расслоения настолько низка, что оно не произойдет в течение расчетного технического срока службы продукта…».
Влияние сварки
В большинстве случаев для соединения компонентов используется сварка.Хорошо известно, что микроструктура сварного шва и его химический состав различаются в зависимости от основного материала 3 .В зависимости от присадочного материала, техники сварки и параметров сварки микроструктура сварных швов в большинстве случаев отличается от сыпучего материала.Микроструктура обычно более грубая, включая зону высокотемпературного термического влияния (ЗТВВ), которая влияет на спинодальный распад в сварных соединениях.Здесь рассматриваются различия в микроструктуре объемных и сварных деталей.
Обобщение ограничивающих факторов
Предыдущие разделы позволяют сделать следующие выводы:
- Все дуплексные материалы подлежат
к спинодальному распаду при температуре около 475 °С. - В зависимости от содержания легирующих добавок ожидается более высокая или медленная скорость разложения.Более высокое содержание Cr и Ni способствует более быстрому расслоению.
- Чтобы установить максимальную рабочую температуру:
– Необходимо учитывать сочетание времени работы и температуры.
– Должен быть установлен приемлемый уровень снижения ударной вязкости, т. е. желаемый уровень конечной ударной вязкости. - При введении дополнительных микроструктурных составляющих, например сварных швов, максимальный ОТ определяется наиболее слабым участком.
Глобальные стандарты
Для этого проекта были рассмотрены несколько европейских и американских стандартов.Они сосредоточились на применении в сосудах под давлением и компонентах трубопроводов.В целом, расхождения относительно рекомендуемого максимального ОТ среди рассмотренных стандартов можно разделить на европейскую и американскую точки зрения.
Европейские стандарты спецификации материалов для нержавеющих сталей (например, EN 10028-7, EN 10217-7) предусматривают максимальную температуру ОТ 250 °C, поскольку свойства материала обеспечиваются только до этой температуры.Более того, европейские стандарты проектирования сосудов под давлением и трубопроводов (EN 13445 и EN 13480 соответственно) не дают никакой дополнительной информации о максимальном ОТ по сравнению с тем, что дано в их стандартах на материалы.
Напротив, американские спецификации материалов (например, ASME SA-240 раздела II-A ASME) вообще не содержат данных о повышенных температурах.Вместо этого эти данные представлены в разделе II-D ASME «Свойства», который поддерживает общие нормы конструкции сосудов под давлением, разделы ASME VIII-1 и VIII-2 (последние предлагают более продвинутый путь проектирования).В ASME II-D максимальная температура OT явно указана как 316 °C для большинства дуплексных сплавов.
Для напорных трубопроводов правила проектирования и свойства материалов приведены в ASME B31.3.В этом коде приведены механические данные для дуплексных сплавов до 316 °C без четкого указания максимального ОТ.Тем не менее, вы можете интерпретировать информацию так, чтобы она соответствовала тому, что написано в ASME II-D, и, таким образом, максимальное значение OT для американских стандартов в большинстве случаев составляет 316 °C.
В дополнение к максимальной информации OT как американские, так и европейские стандарты подразумевают, что существует риск возникновения хрупкости при повышенных температурах (>250 °C) при более длительном времени воздействия, что затем следует учитывать как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации.
Что касается сварных швов, большинство стандартов не содержат каких-либо четких указаний о влиянии спинодального распада.Однако некоторые стандарты (например, ASME VIII-1, таблица UHA 32-4) указывают на возможность выполнения специальной термообработки после сварки.Они не являются обязательными и не запрещены, но при их выполнении они должны проводиться по заранее заданным в стандарте параметрам.
Что говорит индустрия
Была изучена информация, предоставленная несколькими другими производителями дуплексной нержавеющей стали, чтобы узнать, что они сообщают о температурных диапазонах для своих марок.2205 ограничена ATI температурой 315 °C, но Acerinox устанавливает OT для того же класса всего на уровне 250 °C.Это верхний и нижний пределы ОТ для марки 2205, а промежуточные значения ОТ указываются компаниями Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) и ArcelorMittal (280 °C).Это демонстрирует широкое распространение предлагаемых максимальных значений ОТ только для одной марки, которые будут обладать очень сопоставимыми свойствами от производителя к производителю.
Не всегда раскрывается подоплека того, почему производитель установил определенное ОТ.В большинстве случаев это основано на одном конкретном стандарте.Разные стандарты сообщают разные OT, отсюда и разброс значений.Логическим выводом является то, что американские компании устанавливают более высокое значение из-за положений стандарта ASME, тогда как европейские компании устанавливают более низкое значение из-за стандарта EN.
Что нужно клиентам?
В зависимости от конечного применения ожидаются различные нагрузки и воздействия материалов.В этом проекте наибольший интерес представляло охрупчивание из-за спинодального распада, поскольку оно очень применимо к сосудам под давлением.
Однако существуют различные применения, в которых дуплексные сорта подвергаются только средним механическим нагрузкам, например, скрубберы11–15.Еще один запрос был связан с лопатками и рабочими колесами вентиляторов, которые подвергаются усталостным нагрузкам.В литературе показано, что спинодальный распад ведет себя по-разному при приложении усталостной нагрузки15.На этом этапе становится понятно, что максимальный ОТ этих применений не может быть установлен так же, как для сосудов под давлением.
Другой класс запросов касается только применений, связанных с коррозией, таких как судовые скрубберы выхлопных газов.В этих случаях коррозионная стойкость важнее ограничения ОТ при механической нагрузке.Однако оба фактора влияют на работу конечного продукта, что необходимо учитывать при указании максимального ОТ.Опять же, этот случай отличается от двух предыдущих случаев.
В целом, при консультировании клиента о подходящем максимальном OT для его дуплексного класса тип приложения имеет решающее значение при определении значения.Это еще раз демонстрирует сложность установки единого OT для марки, поскольку среда, в которой используется материал, оказывает значительное влияние на процесс охрупчивания.
Какова максимальная рабочая температура дуплекса?
Как уже упоминалось, максимальная рабочая температура определяется очень низкой кинетикой спинодального распада.Но как измерить эту температуру и что такое «низкая кинетика»?Ответ на первый вопрос прост.Мы уже заявляли, что измерения ударной вязкости обычно проводятся для оценки скорости и прогресса разложения.Это установлено стандартами, которым следуют большинство производителей.
Второй вопрос, что подразумевается под низкой кинетикой и значением, при котором мы устанавливаем температурную границу, более сложен.Отчасти это связано с тем, что граничные условия максимальной температуры составляются как из самой максимальной температуры (Т), так и из времени работы (t), в течение которого эта температура поддерживается.Для подтверждения этой комбинации Tt можно использовать различные интерпретации «самой низкой» прочности:
• Нижняя граница, которая установлена исторически и может применяться для сварных швов, составляет 27 Джоулей (Дж).
• В стандартах в качестве предела обычно устанавливается значение 40 Дж.
• 50% снижение начальной ударной вязкости также часто применяется для установки нижней границы.
Это означает, что утверждение о максимальном ОТ должно основываться как минимум на трех согласованных предположениях:
• Температурно-временная выдержка конечного продукта
• Приемлемое минимальное значение вязкости
• Конечная область применения (только химия, механическая нагрузка да/нет и т. д.)
Объединенные экспериментальные знания
После обширного анализа экспериментальных данных и стандартов удалось составить рекомендации для четырех рассматриваемых марок дуплекса, см. Таблицу 3. Следует признать, что большая часть данных получена в результате лабораторных экспериментов, выполненных с шагом изменения температуры 25 °C. .
Следует также отметить, что в этих рекомендациях говорится о сохранении по меньшей мере 50% прочности при комнатной температуре.Когда в таблице указано «более длительный период времени», никакого значительного снижения при комнатной температуре не было зарегистрировано.Более того, сварной шов был протестирован только при температуре -40 °C.Наконец, следует отметить, что для DX 2304 ожидается более длительное время воздействия, учитывая его высокую прочность после 3000 часов испытаний.Однако то, в какой степени воздействие может быть увеличено, должно быть подтверждено дальнейшими испытаниями.
Следует отметить три важных момента:
• Текущие результаты показывают, что при наличии сварных швов температура ОТ снижается примерно на 25 °C.
• Кратковременные скачки температуры (десятки часов при T=375 °C) приемлемы для DX 2205. Поскольку DX 2304 и LDX 2101 являются низколегированными марками, сопоставимые кратковременные скачки температуры также должны быть приемлемыми.
• Когда материал становится хрупким из-за разложения, смягчающая термообработка при 550–600 °C для DX 2205 и 500 °C для SDX 2507 в течение 1 часа помогает восстановить ударную вязкость на 70%.
Время публикации: 04 февраля 2023 г.