Faktorer begrænsede driftstemperaturer
Typiske applikationer, der kræver, at dupleksmaterialer udsættes for høje temperaturforhold, er trykbeholdere, ventilatorblade/løbehjul eller udstødningsgasscrubbere.Kravene til materialeegenskaber kan variere fra høj mekanisk styrke til korrosionsbestandighed. Den kemiske sammensætning af de kvaliteter, der er diskuteret i denne artikel, er angivet i tabel 1.
Spinodal nedbrydning
Spinodal nedbrydning (også kaldet demixing eller historisk som 475 °C-skørhed) er en type faseadskillelse i den ferritiske fase, som forekommer ved temperaturer omkring 475 °C.Den mest udtalte effekt er en ændring i mikrostrukturen, der forårsager dannelsen af α´-fasen, hvilket resulterer i skørhed af materialet.Dette begrænser til gengæld ydeevnen af det endelige produkt.
Figur 1 viser temperaturtidsovergangsdiagrammet (TTT) for de undersøgte dupleksmaterialer, med spinodal nedbrydning repræsenteret i området 475 °C.Det skal bemærkes, at dette TTT-diagram repræsenterer et fald i sejheden med 50 % målt ved slagfasthedstest på Charpy-V-prøver, hvilket normalt accepteres som tegn på skørhed.I nogle applikationer kan et større fald i sejheden være acceptabelt, hvilket ændrer formen på TTT-diagrammet.Derfor afhænger beslutningen om at fastsætte en bestemt maksimal OT af, hvad der anses for at være et acceptabelt niveau af skørhed, dvs. sejhedsreduktion for slutproduktet.Det skal nævnes, at historisk blev TTT-grafer også produceret ved hjælp af en fastsat tærskel, såsom 27J.
Højere legerede kvaliteter
Figur 1 viser, at stigningen af legeringselementer fra kvalitet LDX 2101 mod kvaliteten SDX 2507 fører til en hurtigere nedbrydningshastighed, hvorimod mager duplex viser en forsinket start af nedbrydning.Indvirkningen af legeringselementer som chrom (Cr) og nikkel (Ni) på spinodal nedbrydning og skørhed er blevet vist ved tidligere undersøgelser.5–8 Denne effekt er yderligere illustreret i figur 2. Den viser, at spinodal nedbrydning øges, når temperaturen øges fra 300 til 350 °C og er hurtigere for den højere legerede kvalitet SDX 2507 end for mindre legeret DX 2205.
Denne forståelse kan være afgørende for at hjælpe kunder med at beslutte den maksimale OT, der er egnet til deres valgte kvalitet og anvendelse.
Bestemmelse af maksimal temperatur
Som tidligere nævnt kan den maksimale OT for dupleksmateriale indstilles i overensstemmelse med det acceptable fald i slagstyrke.Typisk anvendes OT svarende til en værdi på 50 % sejhedsreduktion.
OT afhænger af temperatur og tid
Hældningen i kurvernes hale i TTT-diagrammet i figur 1 viser, at spinodal nedbrydning ikke kun sker ved én tærskeltemperatur og stopper under dette niveau.Det er snarere en konstant proces, når dupleksmaterialer udsættes for driftstemperaturer under 475 °C.Det er dog også klart, at på grund af de lavere diffusionshastigheder betyder lavere temperaturer, at nedbrydning vil starte senere og forløbe meget langsommere.Derfor vil brug af dupleksmateriale ved lavere temperaturer muligvis ikke forårsage problemer i årevis eller endda årtier.Alligevel er der i øjeblikket en tendens til at sætte en maksimal OT uden hensyntagen til eksponeringstid.Nøglespørgsmålet er derfor, hvilken temperatur-tid kombination skal bruges til at afgøre, om det er sikkert at bruge et materiale eller ej?Herzman et al.10 opsummerer dette dilemma pænt: "...Brugen vil så være begrænset til temperaturer, hvor kinetikken ved afblanding er så lav, at den ikke vil forekomme i produktets tekniske levetid...".
Indvirkningen af svejsning
De fleste applikationer bruger svejsning til at forbinde komponenter.Det er velkendt, at svejsemikrostrukturen og dens kemi varierer fra grundmaterialet 3 .Afhængigt af fyldmateriale, svejseteknik og svejseparametre er mikrostrukturen af svejsninger for det meste forskellig fra bulkmaterialet.Mikrostrukturen er normalt grovere, og dette inkluderer også den højtemperatur-varmepåvirkede zone (HTHAZ), som påvirker den spinodale nedbrydning i svejsningerne.Variationen af mikrostruktur mellem bulk og svejsninger er et emne, der gennemgås her.
Opsummering af begrænsende faktorer
De foregående afsnit fører til følgende konklusioner:
- Alle duplex-materialer er underlagt
til spinodal nedbrydning ved temperaturer omkring 475 °C. - Afhængigt af legeringsindholdet forventes en hurtigere eller langsommere nedbrydningshastighed.Højere Cr- og Ni-indhold fremmer hurtigere afblanding.
- Sådan indstilles den maksimale driftstemperatur:
– En kombination af driftstid og temperatur skal overvejes.
– Et acceptabelt niveau af fald i sejhed, dvs. et ønsket niveau af endelig sejhed skal indstilles - Når yderligere mikrostrukturelle komponenter, såsom svejsninger, indføres, bestemmes den maksimale OT af den svageste del.
Globale standarder
Adskillige europæiske og amerikanske standarder blev gennemgået for dette projekt.De fokuserede på anvendelser i trykbeholdere og rørkomponenter.Generelt kan uoverensstemmelsen med hensyn til anbefalet maksimal OT blandt de gennemgåede standarder opdeles i et europæisk og amerikansk synspunkt.
De europæiske materialespecifikationsstandarder for rustfrit stål (f.eks. EN 10028-7, EN 10217-7) indebærer en maksimal OT på 250 °C ved at materialeegenskaber kun opnås op til denne temperatur.Desuden giver de europæiske designstandarder for trykbeholdere og rørføringer (henholdsvis EN 13445 og EN 13480) ingen yderligere information om maksimal OT ud fra det, der er angivet i deres materialestandarder.
I modsætning hertil præsenterer den amerikanske materialespecifikation (f.eks. ASME SA-240 i ASME sektion II-A) ingen data for forhøjede temperaturer overhovedet.Disse data er i stedet angivet i ASME sektion II-D, 'Egenskaber', som understøtter de generelle konstruktionskoder for trykbeholdere, ASME sektion VIII-1 og VIII-2 (sidstnævnte tilbyder en mere avanceret designrute).I ASME II-D er den maksimale OT eksplicit angivet som 316 °C for de fleste duplekslegeringer.
For trykrørsapplikationer er både designregler og materialeegenskaber givet i ASME B31.3.I denne kode er der angivet mekaniske data for duplekslegeringer op til 316 °C uden en klar angivelse af maksimal OT.Ikke desto mindre kan du fortolke oplysningerne til at overholde det, der er skrevet i ASME II-D, og dermed er den maksimale OT for de amerikanske standarder i de fleste tilfælde 316 °C.
Ud over den maksimale OT-information indebærer både de amerikanske og europæiske standarder, at der er risiko for at støde på skørhed ved forhøjede temperaturer (>250 °C) ved længere eksponeringstider, hvilket så bør tages i betragtning i både design- og servicefasen.
For svejsninger giver de fleste standarder ingen faste udsagn om virkningen af spinodal nedbrydning.Nogle standarder (f.eks. ASME VIII-1, Tabel UHA 32-4) angiver dog muligheden for at udføre specifikke varmebehandlinger efter svejsning.Disse er hverken påkrævet eller forbudte, men når de udføres, skal de udføres i henhold til forudindstillede parametre i standarden.
Hvad branchen siger
Oplysninger produceret af flere andre producenter af duplex rustfrit stål blev gennemgået for at se, hvad de kommunikerer om temperaturområderne for deres kvaliteter.2205 er begrænset til 315 °C af ATI, men Acerinox indstiller OT for samme kvalitet til kun 250 °C.Disse er de øvre og nedre OT-grænser for klasse 2205, mens andre OT'er imellem dem kommunikeres af Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) og ArcelorMittal (280 °C).Dette demonstrerer den udbredte udbredelse af foreslåede maksimale OT'er kun for én kvalitet, der vil have meget sammenlignelige egenskaber fra producent til producent.
Baggrunden for, hvorfor en producent har fastsat en bestemt OT, afsløres ikke altid.I de fleste tilfælde er dette baseret på én bestemt standard.Forskellige standarder kommunikerer forskellige OT'er, derfor spredningen i værdier.Den logiske konklusion er, at amerikanske virksomheder sætter en højere værdi på grund af udsagnene i ASME-standarden, mens europæiske virksomheder sætter en lavere værdi på grund af EN-standarden.
Hvad har kunderne brug for?
Afhængigt af den endelige anvendelse forventes forskellige belastninger og eksponeringer af materialerne.I dette projekt var skørhed på grund af spinodal nedbrydning af største interesse, da det er meget anvendeligt på trykbeholdere.
Der er dog forskellige applikationer, som kun udsætter duplekskvaliteter for mellemstore mekaniske belastninger, såsom scrubbere11–15.En anden anmodning var relateret til ventilatorblade og pumpehjul, som er udsat for udmattelsesbelastninger.Litteraturen viser, at spinodal nedbrydning opfører sig anderledes, når der påføres en træthedsbelastning15.På dette stadium bliver det klart, at den maksimale OT for disse applikationer ikke kan indstilles på samme måde som for trykbeholdere.
En anden klasse af anmodninger er kun til korrosionsrelaterede applikationer, såsom marine udstødningsgasscrubbere.I disse tilfælde er korrosionsbestandighed vigtigere end OT-begrænsningen under en mekanisk belastning.Begge faktorer påvirker imidlertid driften af det endelige produkt, hvilket skal tages i betragtning, når den maksimale OT angives.Igen adskiller denne sag sig fra de to tidligere sager.
Overordnet set, når en kunde rådgiver om den passende maksimale OT for deres duplex-kvalitet, er applikationstypen af vital betydning ved fastsættelsen af værdien.Dette demonstrerer yderligere kompleksiteten i at indstille en enkelt OT for en karakter, da det miljø, hvori materialet udsættes, har en væsentlig indflydelse på skørhedsprocessen.
Hvad er den maksimale driftstemperatur for duplex?
Som nævnt er den maksimale driftstemperatur fastsat af den meget lave kinetik af spinodal nedbrydning.Men hvordan måler vi denne temperatur, og hvad er egentlig "lav kinetik"?Svaret på det første spørgsmål er nemt.Vi har allerede udtalt, at sejhedsmålinger almindeligvis udføres for at estimere nedbrydningshastigheden og fremskridtet.Dette er fastsat i de standarder, der følges af de fleste producenter.
Det andet spørgsmål, om hvad der menes med lav kinetik og den værdi, hvormed vi sætter en temperaturgrænse, er mere kompleks.Dette skyldes blandt andet, at grænsebetingelserne for maksimal temperatur er sammensat ud fra både selve maksimumtemperaturen (T) og den driftstid (t), som denne temperatur opretholdes over.For at validere denne Tt-kombination kan forskellige fortolkninger af den "laveste" sejhed bruges:
• Den nedre grænse, som er sat historisk og kan anvendes til svejsninger, er 27 Joule (J)
• Inden for standarder er for det meste 40J sat som en grænse.
• 50 % reduktion i initial sejhed anvendes også ofte for at indstille den nedre grænse.
Det betyder, at en opgørelse om maksimal OT skal baseres på mindst tre aftalte forudsætninger:
• Temperatur-tidseksponering af slutproduktet
• Den acceptable minimumsværdi for sejhed
• Endeligt anvendelsesområde (kun kemi, mekanisk belastning ja/nej osv.)
Sammensmeltet eksperimentel viden
Efter en omfattende undersøgelse af eksperimentelle data og standarder har det været muligt at udarbejde anbefalinger for de fire duplex-kvaliteter, der er under revision, se tabel 3. Det skal erkendes, at størstedelen af dataene er skabt fra laboratorieforsøg udført med temperaturtrin på 25 °C .
Det skal også bemærkes, at disse anbefalinger henviser til, at mindst 50 % af sejheden forbliver ved RT.Når der i tabellen er angivet "længere tidsperiode", er der ikke dokumenteret nogen signifikant fald ved RT.Desuden er svejsningen kun testet ved -40 °C.Endelig skal det bemærkes, at der forventes længere eksponeringstid for DX 2304 i betragtning af dens høje sejhed efter 3.000 timers test.I hvilket omfang eksponeringen kan øges skal dog verificeres med yderligere test.
Der er tre vigtige punkter at bemærke:
• Aktuelle fund tyder på, at hvis der er svejsninger, falder OT med ca. 25 °C.
• Kortvarige spidser (tivis af timer ved T=375 °C) er acceptable for DX 2205. Da DX 2304 og LDX 2101 er lavere legerede kvaliteter, bør sammenlignelige kortvarige temperaturspidser også være acceptable.
• Når materialet er skørt på grund af nedbrydning, hjælper dæmpende varmebehandling ved 550 – 600 °C for DX 2205 og 500 °C for SDX 2507 i 1 time med at genvinde sejheden med 70 %.
Indlægstid: 04-02-2023