Faktorer begränsade drifttemperaturer
Typiska applikationer som kräver att duplexmaterial utsätts för höga temperaturer är tryckkärl, fläktblad/impeller eller avgasrenare.Kraven på materialegenskaper kan sträcka sig från hög mekanisk hållfasthet till korrosionsbeständighet. Den kemiska sammansättningen av de kvaliteter som diskuteras i denna artikel listas i Tabell 1.
Spinodal nedbrytning
Spinodal nedbrytning (även kallad demixing eller historiskt som 475 °C-försprödning) är en typ av fasseparation i den ferritiska fasen, som sker vid temperaturer omkring 475 °C.Den mest uttalade effekten är en förändring i mikrostrukturen, vilket orsakar bildandet av α´-fasen, vilket resulterar i försprödning av materialet.Detta begränsar i sin tur slutproduktens prestanda.
Figur 1 visar temperaturtidsövergångsdiagrammet (TTT) för de studerade duplexmaterialen, med spinodal nedbrytning representerad i området 475 °C.Det bör noteras att detta TTT-diagram representerar en minskning av segheten med 50 % uppmätt genom slagseghetstestning på Charpy-V-prover, vilket vanligtvis accepteras som indikerar sprödhet.I vissa applikationer kan en större minskning av segheten vara acceptabel, vilket ändrar formen på TTT-diagrammet.Därför beror beslutet att sätta en viss maximal OT på vad som anses vara en acceptabel nivå av sprödhet, dvs. seghetsminskning för slutprodukten.Det bör nämnas att historiskt har även TTT-grafer producerats med en inställd tröskel, såsom 27J.
Högre legerade kvaliteter
Figur 1 visar att ökningen av legeringselement från kvalitet LDX 2101 mot kvalitet SDX 2507 leder till en snabbare nedbrytningshastighet, medan mager duplex visar en fördröjd start av nedbrytning.Inverkan av legeringsämnen som krom (Cr) och nickel (Ni) på spinodal nedbrytning och försprödning har visats av tidigare undersökningar.5–8 Denna effekt illustreras ytterligare i figur 2. Den visar att spinodal nedbrytning ökar när temperaturen ökas från 300 till 350 °C och är snabbare för den högre legerade kvaliteten SDX 2507 än för mindre legerad DX 2205.
Denna förståelse kan vara avgörande för att hjälpa kunder att besluta om den maximala OT som är lämplig för deras valda kvalitet och tillämpning.
Bestämma maxtemperatur
Som tidigare nämnts kan den maximala OT för duplexmaterial ställas in i enlighet med den acceptabla minskningen i slagseghet.Typiskt används OT motsvarande ett värde på 50 % seghetsreduktion.
OT beror på temp och tid
Lutningen i kurvornas svansar i TTT-diagrammet i figur 1 visar att spinodal nedbrytning inte bara sker vid en tröskeltemperatur och stannar under den nivån.Det är snarare en konstant process när duplexmaterial utsätts för driftstemperaturer under 475 °C.Det är emellertid också tydligt att, på grund av de lägre diffusionshastigheterna, lägre temperaturer innebär att nedbrytningen kommer att starta senare och gå mycket långsammare.Därför kan användning av duplexmaterial vid lägre temperaturer inte orsaka problem på flera år eller till och med årtionden.Ändå finns det för närvarande en tendens att sätta ett maximalt OT utan hänsyn till exponeringstid.Nyckelfrågan är därför vilken temperatur-tid-kombination som ska användas för att avgöra om det är säkert att använda ett material eller inte?Herzman et al.10 sammanfattar detta dilemma fint: "...Användningen kommer då att begränsas till temperaturer där kinetiken för avblandning är så låg att den inte kommer att inträffa under produktens designade tekniska livslängd...".
Effekten av svetsning
De flesta applikationer använder svetsning för att sammanfoga komponenter.Det är välkänt att svetsmikrostrukturen och dess kemi skiljer sig från basmaterialet 3 .Beroende på tillsatsmaterial, svetsteknik och svetsparametrar är mikrostrukturen för svetsar mestadels annorlunda än bulkmaterialet.Mikrostrukturen är normalt grövre, och detta inkluderar även den högtemperaturvärmepåverkade zonen (HTHAZ), som påverkar den spinodala nedbrytningen i svetsarna.Variationen av mikrostruktur mellan bulk och svetsar är ett ämne som granskas här.
Sammanfattning av begränsande faktorer
De föregående avsnitten leder till följande slutsatser:
- Alla duplexmaterial är föremål
till spinodal nedbrytning vid temperaturer runt 475 °C. - Beroende på legeringshalten förväntas en snabbare eller långsammare nedbrytningshastighet.Högre Cr- och Ni-innehåll främjar snabbare demixning.
- För att ställa in den maximala driftstemperaturen:
– En kombination av drifttid och temperatur måste övervägas.
– En acceptabel nivå av minskning av segheten, dvs en önskad nivå av slutlig seghet måste ställas in - När ytterligare mikrostrukturella komponenter, såsom svetsar, introduceras, bestäms den maximala OT av den svagaste delen.
Globala standarder
Flera europeiska och amerikanska standarder granskades för detta projekt.De fokuserade på tillämpningar i tryckkärl och rörkomponenter.Generellt sett kan skillnaden vad gäller rekommenderad maximal OT bland de granskade standarderna delas upp i en europeisk och amerikansk ståndpunkt.
De europeiska materialspecifikationsstandarderna för rostfria stål (t.ex. EN 10028-7, EN 10217-7) innebär en maximal OT på 250 °C genom att materialegenskaper endast tillhandahålls upp till denna temperatur.Dessutom ger de europeiska designstandarderna för tryckkärl och rörledningar (EN 13445 respektive EN 13480) ingen ytterligare information om maximal OT från vad som anges i deras materialstandarder.
Däremot presenterar den amerikanska materialspecifikationen (t.ex. ASME SA-240 i ASME sektion II-A) inga data för förhöjda temperaturer alls.Dessa data tillhandahålls istället i ASME sektion II-D, "Egenskaper", som stöder de allmänna konstruktionskoderna för tryckkärl, ASME sektion VIII-1 och VIII-2 (de senare erbjuder en mer avancerad designväg).I ASME II-D anges den maximala OT uttryckligen som 316 °C för de flesta duplexlegeringar.
För tryckrörsapplikationer anges både designregler och materialegenskaper i ASME B31.3.I denna kod tillhandahålls mekaniska data för duplexlegeringar upp till 316 °C utan en tydlig uppgift om maximal OT.Ändå kan du tolka informationen så att den överensstämmer med vad som står i ASME II-D, och därmed är den maximala OT för de amerikanska standarderna i de flesta fall 316 °C.
Utöver den maximala OT-informationen innebär både de amerikanska och europeiska standarderna att det finns risk för att möta sprödhet vid förhöjda temperaturer (>250 °C) vid längre exponeringstider, vilket då bör beaktas i både design- och servicefasen.
För svetsar gör de flesta standarder inga bestämda uttalanden om inverkan av spinodal nedbrytning.Vissa standarder (t.ex. ASME VIII-1, Tabell UHA 32-4) indikerar dock möjligheten att utföra specifika värmebehandlingar efter svetsning.Dessa är varken obligatoriska eller förbjudna, men när de utförs bör de utföras enligt förinställda parametrar i standarden.
Vad branschen säger
Information som producerats av flera andra tillverkare av duplext rostfritt stål granskades för att se vad de kommunicerar om temperaturområdena för deras kvaliteter.2205 är begränsat till 315 °C av ATI, men Acerinox sätter OT för samma grad till endast 250 °C.Dessa är de övre och nedre OT-gränserna för grad 2205, medan andra OT:er kommuniceras mellan dem av Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) och ArcelorMittal (280 °C).Detta visar den stora spridningen av föreslagna maximala OT bara för en kvalitet som kommer att ha mycket jämförbara egenskaper från tillverkare till tillverkare.
Bakgrundsresonemanget till varför en tillverkare har satt ett visst OT avslöjas inte alltid.I de flesta fall är detta baserat på en viss standard.Olika standarder kommunicerar olika OT, därav spridningen i värden.Den logiska slutsatsen är att amerikanska företag sätter ett högre värde på grund av uttalandena i ASME-standarden, medan europeiska företag sätter ett lägre värde på grund av EN-standarden.
Vad behöver kunderna?
Beroende på den slutliga applikationen förväntas olika belastningar och exponeringar av materialen.I detta projekt var försprödning på grund av spinodal sönderdelning av störst intresse eftersom det är mycket applicerbart på tryckkärl.
Det finns dock olika applikationer som endast utsätter duplexkvaliteter för medelstora mekaniska belastningar, som scrubbers11–15.En annan begäran gällde fläktblad och fläkthjul, som utsätts för utmattningsbelastningar.Litteraturen visar att spinodal nedbrytning beter sig annorlunda när en utmattningsbelastning appliceras15.I detta skede står det klart att den maximala OT för dessa applikationer inte kan ställas in på samma sätt som för tryckkärl.
En annan klass av förfrågningar är endast för korrosionsrelaterade applikationer, såsom marina avgasrenare.I dessa fall är korrosionsbeständigheten viktigare än OT-begränsningen under en mekanisk belastning.Båda faktorerna påverkar dock driften av slutprodukten, vilket måste beaktas när den maximala OT anges.Återigen skiljer sig detta fall från de två tidigare fallen.
Sammantaget, när man ger råd till en kund om lämplig maximal OT för sin duplexkvalitet, är typen av applikation av avgörande betydelse för att fastställa värdet.Detta visar ytterligare komplexiteten i att sätta en enda OT för en klass, eftersom miljön där materialet används har en betydande inverkan på försprödningsprocessen.
Vad är den maximala driftstemperaturen för duplex?
Som nämnts bestäms den maximala driftstemperaturen av den mycket låga kinetiken för spinodal nedbrytning.Men hur mäter vi denna temperatur och vad exakt är "låg kinetik"?Svaret på den första frågan är enkelt.Vi har redan konstaterat att seghetsmätningar vanligtvis utförs för att uppskatta hastigheten och framskridandet av nedbrytningen.Detta är satt i de standarder som följs av de flesta tillverkare.
Den andra frågan, om vad som menas med låg kinetik och värdet vid vilket vi sätter en temperaturgräns är mer komplex.Detta beror delvis på att gränsvillkoren för maxtemperaturen sammanställs från både själva maxtemperaturen (T) och drifttiden (t) under vilken denna temperatur upprätthålls.För att validera denna Tt-kombination kan olika tolkningar av den "lägsta" segheten användas:
• Den nedre gränsen, som är inställd historiskt och kan tillämpas för svetsar är 27 Joule (J)
• Inom standarder är oftast 40J satt som en gräns.
• 50 % minskning av initial seghet tillämpas också ofta för att sätta den nedre gränsen.
Detta innebär att ett uttalande om maximal OT måste baseras på minst tre överenskomna antaganden:
• Temperatur-tidsexponering av slutprodukten
• Det acceptabla minimivärdet för seghet
• Slutligt användningsområde (endast kemi, mekanisk belastning ja/nej etc.)
Sammanslagna experimentella kunskaper
Efter en omfattande undersökning av experimentella data och standarder har det varit möjligt att sammanställa rekommendationer för de fyra duplexkvaliteterna som granskas, se tabell 3. Det bör noteras att det mesta av data skapas från laboratorieexperiment utförda med temperatursteg på 25 °C .
Det bör också noteras att dessa rekommendationer hänvisar till att minst 50 % av segheten återstår vid RT.När i tabellen ”längre tidsperiod” anges har ingen signifikant minskning vid RT dokumenterats.Dessutom har svetsen endast testats vid -40 °C.Slutligen bör det noteras att längre exponeringstid förväntas för DX 2304, med tanke på dess höga seghet efter 3 000 timmars testning.I vilken utsträckning exponeringen kan ökas måste dock verifieras med ytterligare tester.
Det finns tre viktiga punkter att notera:
• Aktuella fynd tyder på att om svetsar förekommer, minskar OT med cirka 25 °C.
• Kortvariga toppar (tiotals timmar vid T=375 °C) är acceptabla för DX 2205. Eftersom DX 2304 och LDX 2101 är lägre legerade kvaliteter bör jämförbara korttidstemperaturspikar också vara acceptabla.
• När material är spröda på grund av sönderdelning, hjälper dämpande värmebehandling vid 550 – 600 °C för DX 2205 och 500 °C för SDX 2507 i 1 timme att återställa segheten med 70 %.
Posttid: 2023-04-04