Faktori ograničene radne temperature
Tipične primjene koje zahtijevaju da se dupleks materijali izlažu uvjetima visoke temperature su posude pod pritiskom, lopatice/propeleri ventilatora ili prečistači izduvnih plinova.Zahtjevi za svojstva materijala mogu se kretati od visoke mehaničke čvrstoće do otpornosti na koroziju. Hemijski sastav klasa o kojima se raspravlja u ovom članku naveden je u Tabeli 1.
Spinodalna dekompozicija
Spinodalna dekompozicija (takođe nazvana demiksovanje ili istorijski kao 475 °C-krtost) je vrsta odvajanja faza u feritnoj fazi, koja se javlja na temperaturama od oko 475 °C.Najizraženiji efekat je promena mikrostrukture koja izaziva formiranje α´ faze, što dovodi do krhkosti materijala.To, zauzvrat, ograničava performanse konačnog proizvoda.
Slika 1 prikazuje dijagram temperaturnog vremenskog prijelaza (TTT) za proučavane dupleks materijale, sa spinodnom dekompozicijom predstavljenom u području od 475 °C.Treba napomenuti da ovaj TTT dijagram predstavlja smanjenje žilavosti za 50% mjereno ispitivanjem udarne žilavosti na uzorcima Charpy-V, što se obično prihvaća kao pokazatelj krtosti.U nekim aplikacijama može biti prihvatljivo veće smanjenje žilavosti, što mijenja oblik TTT dijagrama.Stoga odluka o određivanju određenog maksimalnog OT ovisi o tome što se smatra prihvatljivim nivoom krtosti, odnosno smanjenjem žilavosti za konačni proizvod.Treba napomenuti da su istorijski TTT-grafovi takođe bili proizvedeni korišćenjem postavljenog praga, kao što je 27J.
Viši legirani razredi
Slika 1 pokazuje da povećanje legirajućih elemenata od razreda LDX 2101 prema stupnju SDX 2507 dovodi do bržeg razlaganja, dok mršavi dupleks pokazuje odgođeni početak razgradnje.Utjecaj legirajućih elemenata kao što su hrom (Cr) i nikl (Ni) na spinodalnu razgradnju i krhkost pokazala su prethodna istraživanja.5–8 Ovaj efekat je dalje ilustrovan na slici 2. On pokazuje da se spinodalna razgradnja povećava kada temperatura se povećava sa 300 na 350 °C i brži je za SDX 2507 više legure nego za manje legirani DX 2205.
Ovo razumijevanje može biti ključno u pomaganju kupcima da odluče o maksimalnom OT-u koji je prikladan za njihov odabrani razred i primjenu.
Određivanje maksimalne temperature
Kao što je već spomenuto, maksimalni OT za dupleks materijal može se postaviti prema prihvatljivom padu udarne žilavosti.Obično se usvaja OT koji odgovara vrijednosti od 50% smanjenja žilavosti.
OT zavisi od temperature i vremena
Nagib u repovima krivih na TTT dijagramu na slici 1 pokazuje da se spinodalna dekompozicija ne dešava samo na jednoj graničnoj temperaturi i da se zaustavlja ispod tog nivoa.Umjesto toga, to je konstantan proces kada su dupleks materijali izloženi radnim temperaturama ispod 475 °C.Međutim, također je jasno da, zbog nižih brzina difuzije, niže temperature znače da će razgradnja početi kasnije i teći mnogo sporije.Stoga korištenje dupleks materijala na nižim temperaturama možda neće uzrokovati probleme godinama ili čak decenijama.Ipak, trenutno postoji tendencija postavljanja maksimalnog OT bez razmatranja vremena ekspozicije.Stoga je ključno pitanje koju kombinaciju temperature i vremena treba koristiti da bi se odlučilo da li je bezbedno koristiti materijal ili ne?Herzman et al.10 lijepo sažimaju ovu dilemu: “…Upotreba će tada biti ograničena na temperature gdje je kinetika razmješavanja tako niska da se to neće dogoditi tokom projektovanog tehničkog vijeka proizvoda…”.
Uticaj zavarivanja
Većina aplikacija koristi zavarivanje za spajanje komponenti.Dobro je poznato da se mikrostruktura šava i njegova kemija razlikuju od osnovnog materijala 3 .U zavisnosti od materijala za punjenje, tehnike zavarivanja i parametara zavarivanja, mikrostruktura zavarenih spojeva se uglavnom razlikuje od masivnog materijala.Mikrostruktura je normalno grublja, a to uključuje i zonu pod utjecajem visoke temperature (HTHAZ), koja utječe na spinodalnu dekompoziciju u zavarenim spojevima.Varijacija mikrostrukture između masivnih i zavarenih spojeva je tema koja se ovdje razmatra.
Sumiranje ograničavajućih faktora
Prethodni odjeljci vode do sljedećih zaključaka:
- Svi dupleks materijali su predmet
do spinodalnog raspadanja na temperaturama oko 475 °C. - Ovisno o sadržaju legure, očekuje se brža ili sporija brzina razgradnje.Veći sadržaj Cr i Ni potiče brže razmješavanje.
- Za postavljanje maksimalne radne temperature:
– Mora se uzeti u obzir kombinacija radnog vremena i temperature.
– Mora se postaviti prihvatljiv nivo smanjenja žilavosti, odnosno željeni nivo konačne žilavosti - Kada se uvedu dodatne mikrostrukturne komponente, kao što su zavari, maksimalni OT je određen najslabijim dijelom.
Globalni standardi
Za ovaj projekat revidirano je nekoliko evropskih i američkih standarda.Fokusirali su se na primjenu u posudama pod pritiskom i komponentama cjevovoda.Općenito, neslaganje u pogledu preporučenog maksimalnog OT među pregledanim standardima može se podijeliti na europsko i američko stanovište.
Evropski standardi specifikacije materijala za nerđajuće čelike (npr. EN 10028-7, EN 10217-7) podrazumevaju maksimalnu OT od 250 °C činjenicom da su svojstva materijala obezbeđena samo do ove temperature.Štaviše, evropski standardi dizajna za posude pod pritiskom i cevovode (EN 13445 i EN 13480, respektivno) ne daju nikakve dodatne informacije o maksimalnom OT-u od onoga što je dato u njihovim standardima za materijal.
Nasuprot tome, američka specifikacija materijala (npr. ASME SA-240 iz ASME odjeljka II-A) uopće ne predstavlja nikakve podatke o povišenoj temperaturi.Ovi podaci su umjesto toga dati u ASME odjeljku II-D, 'Svojstva', koji podržava opšte kodekse konstrukcije za posude pod pritiskom, ASME odjeljak VIII-1 i VIII-2 (posljednji nudi napredniji put dizajna).U ASME II-D, maksimalno OT je eksplicitno navedeno kao 316 °C za većinu dupleks legura.
Za primjene cjevovoda pod pritiskom, i pravila dizajna i svojstva materijala dati su u ASME B31.3.U ovom kodu su dati mehanički podaci za dupleks legure do 316 °C bez jasne izjave o maksimalnom OT.Ipak, možete tumačiti informacije u skladu sa onim što je napisano u ASME II-D, pa je stoga maksimalno OT za američke standarde u većini slučajeva 316 °C.
Uz maksimalnu OT informaciju, i američki i evropski standardi podrazumijevaju da postoji rizik od krtosti na povišenim temperaturama (>250 °C) pri dužim vremenima izlaganja, što onda treba uzeti u obzir iu fazi projektovanja i servisiranja.
Za zavarene spojeve, većina standarda ne daje nikakve čvrste izjave o utjecaju spinodalne dekompozicije.Međutim, neki standardi (npr. ASME VIII-1, Tabela UHA 32-4) ukazuju na mogućnost izvođenja specifičnih termičkih tretmana nakon zavarivanja.Oni nisu ni obavezni ni zabranjeni, ali prilikom njihovog izvođenja treba ih izvršiti prema unaprijed određenim parametrima u standardu.
Šta kaže industrija
Pregledane su informacije koje je proizvelo nekoliko drugih proizvođača dupleks nehrđajućeg čelika kako bi se vidjelo šta oni saopštavaju u vezi temperaturnih raspona za svoje klase.2205 je ograničen na 315 °C od strane ATI-a, ali Acerinox postavlja OT za istu klasu na samo 250 °C.Ovo su gornja i donja OT granica za razred 2205, dok između njih ostale OT komuniciraju Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) i ArcelorMittal (280 °C).Ovo pokazuje široku rasprostranjenost predloženih maksimalnih OT-ova samo za jedan razred koji će posjedovati vrlo uporediva svojstva od proizvođača do proizvođača.
Pozadinsko obrazloženje zašto je proizvođač postavio određeni OT nije uvijek otkriven.U većini slučajeva, ovo se zasniva na jednom određenom standardu.Različiti standardi komuniciraju različite OT-ove, otuda i širenje vrijednosti.Logičan zaključak je da američke kompanije postavljaju veću vrijednost zbog navoda u ASME standardu, dok evropske kompanije postavljaju nižu vrijednost zbog EN standarda.
Šta kupcima treba?
Ovisno o konačnoj primjeni, očekuju se različita opterećenja i izloženosti materijala.U ovom projektu je od najvećeg interesa bilo krhkost zbog spinodalne dekompozicije jer je vrlo primjenjiva na posude pod pritiskom.
Međutim, postoje različite aplikacije koje izlažu dupleks tipove samo srednjim mehaničkim opterećenjima, kao što su čistači11–15.Drugi zahtjev se odnosio na lopatice i impelere ventilatora koji su izloženi opterećenjima od zamora.Literatura pokazuje da se spinodalna dekompozicija ponaša drugačije kada se primijeni opterećenje od zamora15.U ovoj fazi postaje jasno da se maksimalni OT ovih aplikacija ne može postaviti na isti način kao za posude pod pritiskom.
Druga klasa zahtjeva odnosi se samo na primjene povezane s korozijom, kao što su prečistači morskih izduvnih plinova.U ovim slučajevima, otpornost na koroziju je važnija od OT ograničenja pod mehaničkim opterećenjem.Međutim, oba faktora utiču na rad konačnog proizvoda, što se mora uzeti u obzir kada se navodi maksimalni OT.Opet, ovaj slučaj se razlikuje od dva prethodna slučaja.
Sve u svemu, kada se savjetuje kupac o odgovarajućem maksimalnom OT-u za njihov duplex razred, vrsta primjene je od vitalnog značaja za postavljanje vrijednosti.Ovo dalje pokazuje složenost postavljanja jednog OT-a za klasu, budući da okruženje u kojem se materijal koristi ima značajan utjecaj na proces krtosti.
Koja je maksimalna radna temperatura za duplex?
Kao što je spomenuto, maksimalna radna temperatura je postavljena vrlo niskom kinetikom spinodalne dekompozicije.Ali kako da izmerimo ovu temperaturu i šta je tačno „niska kinetika“?Odgovor na prvo pitanje je lak.Već smo naveli da se mjerenja žilavosti obično vrše kako bi se procijenila brzina i napredak razlaganja.To je postavljeno u standardima koje slijedi većina proizvođača.
Drugo pitanje, o tome šta se podrazumijeva pod niskom kinetikom i vrijednosti na kojoj postavljamo temperaturnu granicu je složenije.Ovo je dijelom zato što su granični uvjeti maksimalne temperature sastavljeni i iz same maksimalne temperature (T) i iz radnog vremena (t) tokom kojeg se ova temperatura održava.Da bi se potvrdila ova Tt kombinacija, mogu se koristiti različite interpretacije „najniže“ žilavosti:
• Donja granica, koja je povijesno postavljena i može se primijeniti za zavare je 27 Joules (J)
• Unutar standarda uglavnom je 40J postavljeno kao granica.
• 50% smanjenje početne žilavosti se također često primjenjuje za postavljanje donje granice.
To znači da izjava o maksimalnom OT-u mora biti zasnovana na najmanje tri dogovorene pretpostavke:
• Temperaturno-vremensko izlaganje finalnog proizvoda
• Prihvatljiva minimalna vrijednost žilavosti
• Konačna oblast primene (samo hemija, mehaničko opterećenje da/ne itd.)
Spojeno eksperimentalno znanje
Nakon opsežnog istraživanja eksperimentalnih podataka i standarda, bilo je moguće sastaviti preporuke za četiri dupleks klase koje se razmatraju, vidi tabelu 3. Treba imati na umu da je većina podataka stvorena iz laboratorijskih eksperimenata izvedenih s temperaturnim koracima od 25 °C .
Također treba napomenuti da se ove preporuke upućuju na najmanje 50% preostale žilavosti na RT.Kada je u tabeli naveden „duži vremenski period“, nije dokumentovano značajno smanjenje na sobnoj temperaturi.Štaviše, zavar je testiran samo na -40 °C.Na kraju, treba napomenuti da se za DX 2304 očekuje duže vrijeme izlaganja, s obzirom na njegovu visoku žilavost nakon 3.000 sati testiranja.Međutim, u kojoj mjeri se izloženost može povećati mora se provjeriti daljnjim testiranjem.
Postoje tri važne tačke na koje treba obratiti pažnju:
• Trenutni nalazi pokazuju da ako su zavareni spojevi prisutni, OT se smanjuje za oko 25 °C.
• Kratkotrajni skokovi (desetine sati na T=375 °C) su prihvatljivi za DX 2205. Kako su DX 2304 i LDX 2101 niže legirane klase, uporedivi kratkotrajni temperaturni skokovi bi takođe trebali biti prihvatljivi.
• Kada je materijal krt zbog raspadanja, termička obrada na 550 – 600 °C za DX 2205 i 500 °C za SDX 2507 u trajanju od 1 sata pomaže da se povrati žilavost za 70%.
Vrijeme objave: Feb-04-2023