Čimbenici ograničene radne temperature
Tipične primjene koje zahtijevaju izlaganje dupleks materijala uvjetima visoke temperature su posude pod pritiskom, lopatice/impeleri ventilatora ili pročišćivači ispušnih plinova.Zahtjevi za svojstva materijala mogu se kretati od visoke mehaničke čvrstoće do otpornosti na koroziju. Kemijski sastav razreda o kojima se govori u ovom članku naveden je u tablici 1.
Spinodalna dekompozicija
Spinodalna dekompozicija (također nazvana demixing ili povijesno krhkost na 475 °C) je vrsta odvajanja faza u feritnoj fazi, koja se događa na temperaturama od oko 475 °C.Najizraženiji učinak je promjena mikrostrukture, koja uzrokuje stvaranje α´ faze, što rezultira krtošću materijala.To zauzvrat ograničava učinak konačnog proizvoda.
Slika 1 prikazuje dijagram temperaturnog vremenskog prijelaza (TTT) za proučavane dupleksne materijale, sa spinodalnim raspadom predstavljenim u području od 475 °C.Treba napomenuti da ovaj TTT dijagram predstavlja smanjenje žilavosti za 50% mjereno ispitivanjem udarne žilavosti na Charpy-V uzorcima, što se obično prihvaća kao pokazatelj krtosti.U nekim primjenama može biti prihvatljivo veće smanjenje žilavosti, što mijenja oblik TTT dijagrama.Stoga odluka o postavljanju određenog maksimalnog OT ovisi o tome što se smatra prihvatljivom razinom krtosti, tj. smanjenja žilavosti za konačni proizvod.Treba spomenuti da su se povijesno TTT-grafovi također proizvodili korištenjem postavljenog praga, kao što je 27J.
Viši legirani stupnjevi
Slika 1 pokazuje da povećanje legirnih elemenata od stupnja LDX 2101 prema stupnju SDX 2507 dovodi do brže stope razgradnje, dok mršavi dupleks pokazuje odgođeni početak razgradnje.Utjecaj legirajućih elemenata kao što su krom (Cr) i nikal (Ni) na spinodalnu razgradnju i krhkost pokazan je prethodnim istraživanjima.5-8 Ovaj je učinak dodatno ilustriran na slici 2. Ona pokazuje da se spinodalna razgradnja povećava kada temperatura povećava se s 300 na 350 °C i brži je za visokolegirani SDX 2507 nego za manje legirani DX 2205.
Ovo razumijevanje može biti ključno u pomaganju korisnicima da odluče o maksimalnom OT-u koji je prikladan za njihov odabrani stupanj i primjenu.
Određivanje maksimalne temperature
Kao što je ranije spomenuto, maksimalni OT za duplex materijal može se postaviti prema prihvatljivom padu udarne žilavosti.Obično se usvaja OT koji odgovara vrijednosti od 50% smanjenja žilavosti.
OT ovisi o temperaturi i vremenu
Nagib u repovima krivulja u TTT dijagramu na slici 1 pokazuje da se spinodalna razgradnja ne događa samo na jednoj graničnoj temperaturi i ne zaustavlja se ispod te razine.Umjesto toga, radi se o konstantnom procesu kada su duplex materijali izloženi radnim temperaturama ispod 475 °C.Međutim, također je jasno da, zbog nižih brzina difuzije, niže temperature znače da će razgradnja započeti kasnije i odvijati se puno sporije.Stoga korištenje duplex materijala na nižim temperaturama možda neće uzrokovati probleme godinama ili čak desetljećima.Ipak, trenutačno postoji tendencija postavljanja maksimalnog OT-a bez razmatranja vremena izlaganja.Ključno pitanje je stoga koja bi se kombinacija temperature i vremena trebala koristiti da bi se odlučilo je li sigurno koristiti materijal ili ne?Herzman et al.10 lijepo sažimaju ovu dilemu: “…Upotreba će tada biti ograničena na temperature gdje je kinetika odvajanja toliko niska da se neće dogoditi tijekom predviđenog tehničkog vijeka proizvoda…”.
Utjecaj zavarivanja
Većina aplikacija koristi zavarivanje za spajanje komponenti.Dobro je poznato da se mikrostruktura zavara i njegova kemija razlikuju od osnovnog materijala 3 .Ovisno o dodatnom materijalu, tehnici zavarivanja i parametrima zavarivanja, mikrostruktura zavara uglavnom se razlikuje od sipkog materijala.Mikrostruktura je obično grublja, a to također uključuje zonu utjecaja visoke temperature na toplinu (HTHAZ), koja utječe na spinodalnu razgradnju u zavarenim spojevima.Varijacija mikrostrukture između mase i zavarenih spojeva tema je koja se ovdje razmatra.
Sažeti ograničavajući čimbenici
Prethodni odjeljci dovode do sljedećih zaključaka:
- Svi duplex materijali podliježu
do spinodalne razgradnje na temperaturama oko 475 °C. - Ovisno o sadržaju legure, očekuje se brža ili sporija stopa razgradnje.Veći sadržaj Cr i Ni potiče brže rasklapanje.
- Za postavljanje maksimalne radne temperature:
– Treba uzeti u obzir kombinaciju vremena rada i temperature.
– Mora se postaviti prihvatljiva razina smanjenja žilavosti, odnosno željena razina konačne žilavosti - Kada se uvode dodatne mikrostrukturne komponente, kao što su zavari, maksimalni OT se određuje prema najslabijem dijelu.
Globalni standardi
Za ovaj projekt pregledano je nekoliko europskih i američkih standarda.Usredotočili su se na primjene u posudama pod tlakom i komponentama cjevovoda.Općenito, neslaganje u pogledu preporučenog maksimalnog OT među pregledanim standardima može se podijeliti na europsko i američko stajalište.
Europski standardi specifikacije materijala za nehrđajuće čelike (npr. EN 10028-7, EN 10217-7) podrazumijevaju maksimalnu OT od 250 °C činjenicom da su svojstva materijala osigurana samo do te temperature.Štoviše, europski standardi projektiranja tlačnih posuda i cjevovoda (EN 13445 odnosno EN 13480) ne daju nikakve dodatne informacije o maksimalnom OT od onoga što je dano u njihovim materijalnim standardima.
Nasuprot tome, američka specifikacija materijala (npr. ASME SA-240 iz ASME odjeljka II-A) uopće ne prikazuje podatke o povišenoj temperaturi.Ti su podaci umjesto toga navedeni u ASME odjeljku II-D, 'Svojstva', koji podržava opće konstrukcijske kodove za tlačne posude, ASME odjeljke VIII-1 i VIII-2 (potonji nude napredniji put dizajna).U ASME II-D maksimalni OT je izričito naveden kao 316 °C za većinu dupleksnih legura.
Za primjene tlačnih cjevovoda, pravila projektiranja i svojstva materijala navedeni su u ASME B31.3.U ovom kodu navedeni su mehanički podaci za dvostruke legure do 316 °C bez jasne izjave o maksimalnom OT.Unatoč tome, možete protumačiti informacije u skladu s onim što je napisano u ASME II-D, pa je maksimalna OT za američke standarde u većini slučajeva 316 °C.
Uz informacije o maksimalnom OT-u, i američki i europski standardi upućuju na postojanje rizika od krtosti na povišenim temperaturama (>250 °C) pri dužim vremenima izlaganja, što bi tada trebalo uzeti u obzir iu fazi projektiranja iu servisnoj fazi.
Za zavare, većina standarda ne daje nikakve čvrste izjave o utjecaju spinodalne dekompozicije.Međutim, neki standardi (npr. ASME VIII-1, tablica UHA 32-4) ukazuju na mogućnost izvođenja specifičnih toplinskih obrada nakon zavarivanja.Oni nisu niti obavezni niti zabranjeni, ali pri njihovom izvođenju trebaju se provoditi prema unaprijed postavljenim parametrima u standardu.
Što kaže industrija
Podaci nekoliko drugih proizvođača duplex nehrđajućeg čelika pregledani su kako bi se vidjelo što oni komuniciraju u vezi temperaturnih raspona za svoje kvalitete.2205 je ograničen na 315 °C od strane ATI-ja, ali Acerinox postavlja OT za isti stupanj na samo 250 °C.Ovo su gornja i donja granica OT-a za kvalitetu 2205, dok između njih druge OT-ove priopćavaju Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) i ArcelorMittal (280 °C).Ovo pokazuje široku rasprostranjenost predloženih maksimalnih OT-ova samo za jedan stupanj koji će imati vrlo usporediva svojstva od proizvođača do proizvođača.
Pozadinsko obrazloženje zašto je proizvođač postavio određeni OT nije uvijek otkriveno.U većini slučajeva to se temelji na jednom određenom standardu.Različiti standardi komuniciraju različite OT-ove, otuda i razlike u vrijednostima.Logičan zaključak je da američke tvrtke postavljaju višu vrijednost zbog navoda u ASME standardu, dok europske tvrtke postavljaju nižu vrijednost zbog EN standarda.
Što kupcima treba?
Ovisno o konačnoj primjeni, očekuju se različita opterećenja i izloženosti materijala.U ovom projektu, krtost zbog spinodalne dekompozicije bila je od najvećeg interesa jer je vrlo primjenjiva na tlačne posude.
Međutim, postoje različite primjene koje dvostruke kvalitete izlažu samo srednjim mehaničkim opterećenjima, kao što su čistači11-15.Drugi zahtjev odnosio se na lopatice i impelere ventilatora koji su izloženi zamornim opterećenjima.Literatura pokazuje da se spinodalna razgradnja ponaša drugačije kada se primijeni opterećenje od zamora15.U ovoj fazi postaje jasno da se maksimalni OT ovih primjena ne može postaviti na isti način kao za tlačne posude.
Druga klasa zahtjeva odnosi se samo na primjene povezane s korozijom, kao što su brodski pročišćivači ispušnih plinova.U tim je slučajevima otpornost na koroziju važnija od ograničenja OT pod mehaničkim opterećenjem.Međutim, oba čimbenika utječu na rad konačnog proizvoda, što se mora uzeti u obzir pri određivanju maksimalnog OT.I ovaj se slučaj razlikuje od prethodna dva slučaja.
Općenito, kada se savjetuje kupcu o prikladnom maksimalnom OT-u za njihovu dvostruku ocjenu, vrsta primjene je od ključne važnosti za postavljanje vrijednosti.Ovo dodatno pokazuje složenost postavljanja jednog OT za stupanj, budući da okolina u kojoj se materijal koristi ima značajan utjecaj na proces krtosti.
Koja je maksimalna radna temperatura za dupleks?
Kao što je spomenuto, maksimalna radna temperatura određena je vrlo niskom kinetikom spinodalne razgradnje.Ali kako mjerimo tu temperaturu i što je točno "niska kinetika"?Odgovor na prvo pitanje je jednostavan.Već smo naveli da se mjerenja žilavosti obično provode kako bi se procijenila brzina i napredak razgradnje.To je postavljeno u standardima kojih se pridržava većina proizvođača.
Drugo pitanje, o tome što se podrazumijeva pod niskom kinetikom i vrijednosti na kojoj postavljamo temperaturnu granicu je složenije.To je dijelom zato što se granični uvjeti maksimalne temperature sastavljaju i od same maksimalne temperature (T) i od radnog vremena (t) tijekom kojeg se ta temperatura održava.Kako bi se potvrdila ova kombinacija Tt, mogu se koristiti različita tumačenja "najniže" žilavosti:
• Donja granica, koja je postavljena povijesno i može se primijeniti za zavare je 27 Joules (J)
• Unutar standarda uglavnom je 40J postavljeno kao granica.
• 50% smanjenje početne žilavosti također se često primjenjuje za postavljanje donje granice.
To znači da se izjava o maksimalnom OT mora temeljiti na najmanje tri dogovorene pretpostavke:
• Temperaturno-vremenska izloženost konačnog proizvoda
• Prihvatljiva minimalna vrijednost žilavosti
• Konačno područje primjene (samo kemija, mehaničko opterećenje da/ne itd.)
Spojeno eksperimentalno znanje
Nakon opsežnog pregleda eksperimentalnih podataka i standarda, bilo je moguće sastaviti preporuke za četiri dvostruka stupnja pregleda, vidi tablicu 3. Treba priznati da je većina podataka stvorena iz laboratorijskih eksperimenata izvedenih s temperaturnim koracima od 25 °C .
Također treba napomenuti da se ove preporuke odnose na najmanje 50% preostale žilavosti na sobnoj temperaturi.Kada je u tablici navedeno "duže vremensko razdoblje" nije dokumentirano nikakvo značajno smanjenje na RT.Štoviše, zavar je testiran samo na -40 °C.Na kraju, treba napomenuti da se za DX 2304 očekuje dulje vrijeme izlaganja, s obzirom na njegovu visoku žilavost nakon 3000 sati testiranja.Međutim, u kojoj se mjeri izloženost može povećati mora se provjeriti daljnjim ispitivanjem.
Treba obratiti pažnju na tri važne točke:
• Trenutačni nalazi pokazuju da ako su prisutni zavari, OT se smanjuje za oko 25 °C.
• Kratkotrajni skokovi (desetci sati na T=375 °C) prihvatljivi su za DX 2205. Budući da su DX 2304 i LDX 2101 niži legirani stupnjevi, usporedivi kratkoročni skokovi temperature također bi trebali biti prihvatljivi.
• Kada je materijal krt zbog raspadanja, ublažavajuća toplinska obrada na 550 – 600 °C za DX 2205 i 500 °C za SDX 2507 tijekom 1 sata pomaže vratiti žilavost za 70%.
Vrijeme objave: 4. veljače 2023