Faktorer begrenset driftstemperaturer
Typiske bruksområder som krever at dupleksmaterialer utsettes for høye temperaturforhold er trykkbeholdere, vifteblader/impellere eller avgassscrubbere.Kravene til materialegenskaper kan variere fra høy mekanisk styrke til korrosjonsbestandighet. Den kjemiske sammensetningen av karakterene som er omtalt i denne artikkelen er oppført i tabell 1.
Spinodal nedbrytning
Spinodal dekomponering (også kalt demixing eller historisk som 475 °C-sprøhet) er en type faseseparasjon i den ferritiske fasen, som skjer ved temperaturer rundt 475 °C.Den mest uttalte effekten er en endring i mikrostrukturen, som forårsaker dannelsen av α´-fasen, noe som resulterer i sprøhet av materialet.Dette begrenser i sin tur ytelsen til sluttproduktet.
Figur 1 viser temperaturtidsovergangsdiagrammet (TTT) for dupleksmaterialene som ble studert, med spinodal dekomponering representert i området 475 °C.Det skal bemerkes at dette TTT-diagrammet representerer en seighetsreduksjon med 50 % målt ved slagfasthetstesting på Charpy-V-prøver, som vanligvis aksepteres som å indikere sprøhet.I noen applikasjoner kan en større reduksjon av seighet være akseptabel, noe som endrer formen på TTT-diagrammet.Derfor avhenger beslutningen om å sette en bestemt maksimal OT av hva som anses å være et akseptabelt nivå av sprøhet, dvs. seighetsreduksjon for sluttproduktet.Det skal nevnes at historisk ble TTT-grafer også produsert ved å bruke en satt terskel, for eksempel 27J.
Høyere legerte karakterer
Figur 1 viser at økningen av legeringselementer fra klasse LDX 2101 mot klasse SDX 2507 fører til en raskere dekomponeringshastighet, mens mager dupleks viser en forsinket start av dekomponering.Virkningen av legeringselementer som krom (Cr) og nikkel (Ni) på spinodal dekomponering og sprøhet er vist ved tidligere undersøkelser.5–8 Denne effekten er ytterligere illustrert i figur 2. Den viser at spinodal dekomponering øker når temperaturen økes fra 300 til 350 °C og er raskere for den høyere legerte kvaliteten SDX 2507 enn for mindre legert DX 2205.
Denne forståelsen kan være avgjørende for å hjelpe kundene med å bestemme den maksimale OT som passer for deres valgte karakter og anvendelse.
Bestemme maksimal temperatur
Som nevnt tidligere kan maksimal OT for dupleksmateriale settes i henhold til det akseptable fallet i slagfasthet.Vanligvis brukes OT som tilsvarer en verdi på 50 % seighetsreduksjon.
OT avhenger av temp og tid
Hellingen i halene til kurvene i TTT-diagrammet i figur 1 viser at spinodal dekomponering ikke bare skjer ved én terskeltemperatur og stopper under dette nivået.Det er snarere en konstant prosess når dupleksmaterialer utsettes for driftstemperaturer under 475 °C.Det er imidlertid også klart at på grunn av de lavere diffusjonshastighetene betyr lavere temperaturer at nedbrytningen vil starte senere og gå mye langsommere.Derfor vil bruk av dupleksmateriale ved lavere temperaturer kanskje ikke forårsake problemer på flere år eller tiår.Likevel er det for tiden en tendens til å sette en maksimal OT uten hensyn til eksponeringstid.Nøkkelspørsmålet er derfor hvilken temperatur-tid-kombinasjon som skal brukes for å avgjøre om det er trygt å bruke et materiale eller ikke?Herzman et al.10 oppsummerer dette dilemmaet fint: "...Bruken vil da være begrenset til temperaturer der kinetikken for demiksing er så lav at den ikke vil skje i løpet av produktets tekniske levetid...".
Virkningen av sveising
De fleste applikasjoner bruker sveising for å sammenføye komponenter.Det er velkjent at sveisemikrostrukturen og dens kjemi varierer fra grunnmaterialet 3 .Avhengig av fyllmateriale, sveiseteknikk og sveiseparametere, er mikrostrukturen til sveiser stort sett forskjellig fra bulkmaterialet.Mikrostrukturen er normalt grovere, og dette inkluderer også den varmepåvirkede sonen med høy temperatur (HTHAZ), som påvirker den spinodale dekomponeringen i sveisene.Variasjonen av mikrostruktur mellom bulk og sveiser er et tema som gjennomgås her.
Oppsummering av begrensende faktorer
De forrige avsnittene fører til følgende konklusjoner:
- Alle tosidige materialer er underlagt
til spinodal dekomponering ved temperaturer rundt 475 °C. - Avhengig av legeringsinnholdet forventes en raskere eller langsommere nedbrytningshastighet.Høyere Cr- og Ni-innhold fremmer raskere demiksing.
- For å stille inn maksimal driftstemperatur:
– En kombinasjon av driftstid og temperatur må vurderes.
– Et akseptabelt nivå for reduksjon i seighet, dvs. et ønsket nivå for endelig seighet må angis - Når ytterligere mikrostrukturelle komponenter, som sveiser, introduseres, bestemmes maksimal OT av den svakeste delen.
Globale standarder
Flere europeiske og amerikanske standarder ble gjennomgått for dette prosjektet.De fokuserte på applikasjoner i trykkbeholdere og rørkomponenter.Generelt kan avviket angående anbefalt maksimal OT blant de gjennomgåtte standardene deles inn i et europeisk og amerikansk standpunkt.
De europeiske materialspesifikasjonsstandardene for rustfritt stål (f.eks. EN 10028-7, EN 10217-7) innebærer en maksimal OT på 250 °C ved at materialegenskaper kun er gitt opp til denne temperaturen.Dessuten gir de europeiske designstandardene for trykkbeholdere og rør (henholdsvis EN 13445 og EN 13480) ingen ytterligere informasjon om maksimal OT fra det som er gitt i deres materialstandarder.
Derimot presenterer den amerikanske materialspesifikasjonen (f.eks. ASME SA-240 i ASME seksjon II-A) ingen data for forhøyet temperatur i det hele tatt.Disse dataene er i stedet gitt i ASME seksjon II-D, "Properties", som støtter de generelle konstruksjonskodene for trykkbeholdere, ASME seksjon VIII-1 og VIII-2 (sistnevnte tilbyr en mer avansert designrute).I ASME II-D er maksimal OT eksplisitt angitt som 316 °C for de fleste duplekslegeringer.
For trykkrørapplikasjoner er både designregler og materialegenskaper gitt i ASME B31.3.I denne koden er det gitt mekaniske data for duplekslegeringer opp til 316 °C uten en klar angivelse av maksimal OT.Likevel kan du tolke informasjonen slik at den samsvarer med det som er skrevet i ASME II-D, og dermed er maksimal OT for de amerikanske standardene i de fleste tilfeller 316 °C.
I tillegg til den maksimale OT-informasjonen, innebærer både amerikanske og europeiske standarder at det er en risiko for å støte på sprøhet ved forhøyede temperaturer (>250 °C) ved lengre eksponeringstider, som da bør vurderes både i design- og servicefasen.
For sveiser gir de fleste standarder ingen faste utsagn om virkningen av spinodal dekomponering.Noen standarder (f.eks. ASME VIII-1, Tabell UHA 32-4) indikerer imidlertid muligheten for å utføre spesifikke varmebehandlinger etter sveising.Disse er verken påkrevd eller forbudt, men når de utføres, bør de utføres i henhold til forhåndsinnstilte parametere i standarden.
Hva bransjen sier
Informasjon produsert av flere andre produsenter av dupleks rustfritt stål ble gjennomgått for å se hva de kommuniserer angående temperaturområdene for deres kvaliteter.2205 er begrenset til 315 °C av ATI, men Acerinox setter OT for samme karakter til bare 250 °C.Dette er de øvre og nedre OT-grensene for karakteren 2205, mens andre OT-er i mellom kommuniseres av Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) og ArcelorMittal (280 °C).Dette demonstrerer utbredelsen av foreslåtte maksimale OT-er bare for én klasse som vil ha svært sammenlignbare egenskaper fra produsent til produsent.
Bakgrunnen for hvorfor en produsent har satt en viss OT blir ikke alltid avslørt.I de fleste tilfeller er dette basert på én bestemt standard.Ulike standarder kommuniserer forskjellige OT-er, derav spredningen i verdier.Den logiske konklusjonen er at amerikanske selskaper setter en høyere verdi på grunn av uttalelsene i ASME-standarden, mens europeiske selskaper setter en lavere verdi på grunn av EN-standarden.
Hva trenger kundene?
Avhengig av den endelige applikasjonen forventes ulike belastninger og eksponeringer av materialene.I dette prosjektet var sprøhet på grunn av spinodal dekomponering av størst interesse da det er svært anvendelig på trykkbeholdere.
Imidlertid er det forskjellige bruksområder som bare utsetter duplekskvaliteter for middels mekanisk belastning, for eksempel skrubbere11–15.En annen forespørsel var knyttet til vifteblader og impellere, som er utsatt for utmattingsbelastninger.Litteraturen viser at spinodal dekomponering oppfører seg annerledes når en utmattelsesbelastning påføres15.På dette stadiet blir det klart at maksimal OT for disse applikasjonene ikke kan settes på samme måte som for trykkbeholdere.
En annen klasse av forespørsler er kun for korrosjonsrelaterte applikasjoner, for eksempel marine eksosscrubbere.I disse tilfellene er korrosjonsmotstanden viktigere enn OT-begrensningen under en mekanisk belastning.Imidlertid påvirker begge faktorene driften av sluttproduktet, som må tas i betraktning når den maksimale OT angis.Igjen, denne saken skiller seg fra de to tidligere sakene.
Alt i alt, når du gir råd til en kunde om passende maksimal OT for deres duplekskvalitet, er typen applikasjon av avgjørende betydning for å sette verdien.Dette demonstrerer ytterligere kompleksiteten ved å sette en enkelt OT for en karakter, ettersom miljøet der materialet er utplassert har en betydelig innvirkning på sprøhetsprosessen.
Hva er maksimal driftstemperatur for dupleks?
Som nevnt er den maksimale driftstemperaturen satt av den svært lave kinetikken til spinodal dekomponering.Men hvordan måler vi denne temperaturen og hva er egentlig "lav kinetikk"?Svaret på det første spørsmålet er enkelt.Vi har allerede uttalt at seighetsmålinger vanligvis utføres for å estimere hastigheten og fremdriften av dekomponering.Dette er satt i standardene som følges av de fleste produsenter.
Det andre spørsmålet, om hva som menes med lav kinetikk og verdien som vi setter en temperaturgrense på, er mer komplekst.Dette er delvis siden grensebetingelsene for maksimal temperatur er satt sammen både fra selve maksimumstemperaturen (T) og driftstiden (t) som denne temperaturen opprettholdes over.For å validere denne Tt-kombinasjonen kan forskjellige tolkninger av den "laveste" seigheten brukes:
• Den nedre grensen, som er satt historisk og kan brukes for sveiser, er 27 Joule (J)
• Innenfor standarder er stort sett 40J satt som en grense.
• 50 % reduksjon i innledende seighet brukes også ofte for å sette den nedre grensen.
Dette betyr at en uttalelse om maksimal OT må baseres på minst tre avtalte forutsetninger:
• Temperatur-tidseksponering av sluttproduktet
• Den akseptable minimumsverdien for seighet
• Endelig bruksområde (kun kjemi, mekanisk belastning ja/nei osv.)
Sammenslått eksperimentell kunnskap
Etter en omfattende undersøkelse av eksperimentelle data og standarder har det vært mulig å utarbeide anbefalinger for de fire duplekskvalitetene som er under vurdering, se tabell 3. Det bør erkjennes at de fleste dataene er laget fra laboratorieeksperimenter utført med temperaturtrinn på 25 °C .
Det bør også bemerkes at disse anbefalingene refererer til at minst 50 % av seigheten gjenstår ved RT.Når i tabellen "lengre tidsperiode" er indikert, er det ikke dokumentert noen signifikant reduksjon ved RT.Dessuten er sveisen kun testet ved -40 °C.Til slutt bør det bemerkes at lengre eksponeringstid er forventet for DX 2304, tatt i betraktning dens høye seighet etter 3000 timers testing.I hvilken grad eksponeringen kan økes må imidlertid verifiseres med ytterligere testing.
Det er tre viktige punkter å merke seg:
• Gjeldende funn indikerer at hvis sveiser er tilstede, reduseres OT med ca. 25 °C.
• Kortvarige pigger (ti titalls timer ved T=375 °C) er akseptable for DX 2205. Siden DX 2304 og LDX 2101 er lavere legerte kvaliteter, bør sammenlignbare korttidstemperaturtopper også være akseptable.
• Når materialet er sprø på grunn av dekomponering, hjelper avbøtende varmebehandling ved 550 – 600 °C for DX 2205 og 500 °C for SDX 2507 i 1 time å gjenopprette seigheten med 70 %.
Innleggstid: Feb-04-2023