Жилавост дуплекс нерђајућег челика на ниским температурама

Дуплекс нерђајући челицикомбинују отпорност аустенита на корозију са чврстоћом ферита у микроструктури приближно 50/50-дајући им отприлике двоструко већу границу течења у односу на конвенционалне класе аустенита као што су 304Л и 316Л. Али снага је само део приче.

У криогеним услугама, преради ЛНГ-а, платформама на мору и енергетским пројектима на Арктику, способност материјала да апсорбује енергију без ломљења -његове чврстине- је подједнако критична.

Овај чланак одговара на питања која инжењери, пројектанти и тимови за набавку најчешће постављају о отпорности дуплекс нерђајућег челика: Како дуплекс СС ​​ради на ниским температурама? Који захтеви за Цхарпи испитивање на удар се примењују? Које оцене су погодне за услугу испод нуле? А шта докази говоре о стварно-светској издржљивости у ЛНГ, оффсхоре и криогеним апликацијама?

Кључни закључак: Дуплекс нерђајући челици задржавају одличну жилавост на температурама до –50 степени (за стандардни дуплекс) и –80 степени (за супер дуплекс), са Цхарпи В-вредностима ударног зареза од 50–100 Ј на −40 степени -који далеко премашују минимум од 27 Ј који захтева АСТМ А240/А79. Ово чини дуплек СС технички супериорном и трошковно{10}}ефикасном алтернативом за 316Л у апликацијама испод нуле и на мору, са 40–60% мање потребног материјала због његове веће чврстоће.

Шта је Цхарпи ударни тест и зашто је потребан за дуплекс нерђајући челик?

Ударни тест Цхарпи В-зареза мери количину енергије (у џулима) коју стандардизовани узорак за испитивање апсорбује када се ломи клатном које се љуља на одређеној температури. Већа Цхарпи вредност значи да је материјал чвршћи-способнији да апсорбује енергију без цепања. За дуплекс нерђајући челик, Цхарпи тестирање није опционо: налаже АСТМ А240/А790, ЕН 10088 и АСМЕ Цоде Сецтион ВИИИ да би се потврдило да феритна-аустенитна микроструктура пружа адекватну жилавост за граничне примене{8}}.

Узорак за испитивање је правоугаона шипка (55 мм × 10 мм × 10 мм) са 2 мм -дубоким В- зарезом у средини машински обрађеним. Узорак се ставља у Цхарпи машину за испитивање, одржава се на жељеној температури (собна температура, 0 степени, -20 степени или -40 степени), и удара клатно које се љуља. Машина мери енергију апсорбовану за ломљење узорка, изражену у џулима (Ј) или стопа{11}} фунти (фт·лбф).

Зашто је Цхарпи тестирање посебно потребно за дуплекс нерђајући челик?

Дуплекс нерђајући челици захтевају Цхарпи тестирање јер је њихова двофазна (ферит + аустенит) микроструктура осетљива на неправилан топлотни третман, што може да изазове кртљење на високим температурама (кртост од 475 степени, сигма фаза) или смањење жилавости на температурама испод -нуле. Цхарпи тестирање је алат за контролу квалитета који потврђује да је микроструктура исправна и да је материјал безбедан за употребу.

Примарни ризици које Цхарпи тестирање открива код дуплекс нерђајућег челика:

✔ Фазни дисбаланс: Ако однос ферит/аустенит одступа од ~50/50 (нпр. 70/30 или 80/20), жилавост драстично опада. Цхарпи тестирање ово брзо открива.

✔ Кртљивост од 475 степени: Дуго излагање на 300–500 степени узрокује таложење богате Цр-у феритној фази, драстично смањујући жилавост. Шарпи тестови на собној температури и температурама испод{5}}нуле откривају ово.

✔ Сигма фаза кртости: продужено време на 600–800 степени формира тврду, крхку интерметалну сигма фазу. Један Шарпијев тест може да открије кртост сигма-фазе услед лоше топлотне обраде.

✔ Жилавост зоне -утицаја топлоте заваривања (ХАЗ): ХАЗ шава дуплекс СС ​​је најслабија зона у произведеној структури. Испитивање утицаја ХАЗ-а (користећи бочне-узорке са зарезима или одвојену симулацију завара) је обавезно за критичне примене.

✔ Верификација услуге при ниским{0}}температурама: За криогене и оффсхоре апликације, Цхарпи тестирање на -40 степени или ниже потврђује да аустенитна фаза задржава своју ФЦЦ дуктилност на пројектованој температури.

Цхарпи у односу на друге тестове отпорности: који је потребан за Дуплек СС?

Зашто дуплекс нерђајући челик задржава чврстину на ниским температурама

Дуплекс нерђајући челик задржава одличну жилавост на ниским температурама јер његова аустенитна фаза (ФЦЦ кристална структура) остаје дуктилна и отпорна на удар- чак и на -40 степени, док феритна фаза (БЦЦ структура) пружа снагу. Аустенит делује као фаза заустављања{3}}прслина, отупљује пукотине које се шире и распоређују енергију ударца по двофазној микроструктури. Због тога је стандардни дуплекс (2205) одобрен за рад до –50 степени и супер дуплекс (2507, 32760) до –80 степени, без потребе за легурама криогеног{11}}класа.

Да бисмо разумели зашто је дуплекс СС ​​тако чврст на ниским температурама, морамо разумети шта се дешава са металима када се охладе:

✔ БЦЦ метали (ферит, феритни СС, угљенични челик): На ниским температурама, БЦЦ метали пролазе кроз дуктилни-у-прелаз у крти (ДБТТ)-, они пуцају са малим упозорењем испод критичне температуре. Угљенични челик може катастрофално да пропадне испод -20 степени. Чак и феритни нерђајући челици попут 430 показују ДБТТ.

✔ ФЦЦ метали (аустенит, алуминијум, бакар): ФЦЦ метали НЕМАЈУ ДБТТ. Њихове атомске равни могу да клизе у било ком правцу, тако да остају дуктилне чак и на температури течног азота (-196 степени). Због тога се 304Л и 316Л користе у криогеној служби до −269 степени.

✔ Дуплекс СС ​​(две-фазе): аустенитна фаза спречава ширење кртог лома кроз феритну матрицу. Чак и када феритна фаза доживи мало кртости, аустенитна острва апсорбују енергију удара и спречавају стварање пукотина. Пукотина мора више пута да се креће око аустенитних острва, расипајући енергију и подижући ефективну жилавост.

Шта се дешава са дуплекс СС ​​жилавошћу испод -40 степени?

Закључак: Стандардни дуплекс нерђајући челици (2205, УНС С31803/С32205) одржавају адекватну жилавост до приближно -50 степени, али почињу да показују смањене вредности удара испод -40 степени. За сервис испод -50 степени, препоручују се супер дуплекс класе (2507, 32750, 32760) са већим садржајем Ни и Н. За услуге испод -80 степени (ЛНГ у-цеви, криогени резервоари), аустенитне класе као што су 304Л или 316Л се обично наводе-иако неки ЛНГ оператери користе супер дуплекс због већег односа снаге-према{17}}тежини.

Напомена: Вредности су репрезентативне за уздужни смер испитивања (Л-Т оријентација). Попречне (Т-Л) вредности су обично 30–50% ниже. Увек користите оријентацију релевантну за правац учитавања вашег дизајна.

Применљиви стандарди: захтеви Цхарпи утицаја за дуплекс нерђајући челик

АСТМ А240 (плоча/лим) и АСТМ А790 (цев) захтевају најмање 54 Ј (40 фт·лбф) за стандардне дуплекс класе у условима жареног раствора. Супер дуплекс класе (С32750, С32760) обично захтевају минимум 45–50 Ј. Ово су минимуми СОБНЕ ТЕМПЕРАТУРЕ-за услугу испод-нуле, спецификација мора да утврди температуру испитивања и минималну вредност на основу кода дизајна и услова рада.

Који додатни захтеви важе за оффсхоре и криогене апликације?

Оффсхоре и апликације испод{0}}нуле намећу захтеве који превазилазе стандардне АСТМ минимуме. АПИ 17Ј, НОРСОК и ИСО 15156 специфицирају додатно Шарпијево испитивање на пројектованој температури (-20 степени, -40 степени или ниже) са минималним вредностима од 45–50 Ј, и ХАЗ испитивање на удар за верификацију жилавости зоне завара.

Дуплек Цхарпи захтеви од нерђајућег челика према радној температури

За ЛНГ сервис (пројектна температура −162 степена), стандардни дуплекс 2205 се НЕ препоручује за задржавање примарног притиска јер његова феритна фаза пролази кроз дуктилну-у-крту транзицију око −60 степени до −80 степени. Аустенитни 304Л или 316Л је специфициран за унутрашње шкољке резервоара за ЛНГ. МЕЂУТИМ, супер дуплекс 2507 и 32760 СЕ користе у ЛНГ подводним цевоводима и приобалним платформама где се сусрећу са пројектованим температурама до -80 степени, под условом да Цхарпи тестирање потврди адекватну жилавост на -80 степени.

Захтеви за жилавост примене ЛНГ:

✔ Унутрашња шкољка резервоара за ЛНГ (примарна баријера): АИСИ 304Л (УНС С30403) или 304/316 аустенит од нерђајућег челика. Минимално Цхарпи 27 Ј на −162 степена. Није дозвољен дуплекс СС ​​за примарну баријеру.

✔ Спољни омотач резервоара за ЛНГ и прстенасти простор: Супер дуплекс 2507 или 32760 се све више користи за спољне потпорне структуре резервоара и цевоводе, уз Цхарпи тестирање на -80 степени минимум 45 Ј.

✔ Подморски проточни водови терминала за ЛНГ регасификацију: Супер дуплек 2507 (С32750) са ПРЕН већим или једнаким 40, Цхарпи 45 Ј на -20 степени, АПИ 17Ј сертификован.

✔ Арктички ЛНГ: За Иамал ЛНГ и сличне пројекте, специфицирани су специјални дуплекс разреди са Цхарпи тестирањем на -60 степени, заједно са захтевима ЦТОД жилавости лома.

Који су Цхарпи захтеви за дуплекс СС ​​у апликацијама на офшор платформи?

Оффсхоре платформе у Северном мору, Мексичком заливу и Јужном кинеском мору обично специфицирају дуплекс нерђајући челик за процесне цевоводе, бакље и подводне компоненте са Цхарпи захтевима од 45–50 Ј на -20 степени или -40 степени, у зависности од основне температуре дизајна и примењивих НОРСОК или АПИ захтева.

Који су Цхарпи захтеви за дуплекс СС ​​у цевоводима за Арктик и хладну климу?

Арктички цевоводи у Канади, Русији и Аљасци који раде на -40 степени до -45 степени захтевају дуплекс нерђајући челик са Цхарпи вредностима удара од 50–60 Ј на пројектованој температури, плус додатно испитивање жилавости на лом (ЦТОД и/или ДВТТ). Канадски ЦСА З662 и руски ГОСТ стандарди одређују захтеве за жилавост који превазилазе стандардне захтеве АПИ и АСМЕ за умерену климу.

✔ Арктички нафтоводи (-40 степени до -45 степени): Супер дуплек 2507 или леан дуплек 2101 са Цхарпи 50 Ј мин на -40 степени; ДВТТ потребан за линијску цев (површина смицања > 85% на -40 степени).

✔ Арктички гасоводи (-40 степени): Слични захтеви плус ЦТОД Већи или једнаки 0,25 мм на -40 степени за заварене обим цеви.

Како термичка обрада и заваривање утичу на шарпи чврстоћу дуплекс нерђајућег челика

Неправилна термичка обрада узрокује три различита механизма кртости дуплекс нерђајућег челика, а сви су откривени Цхарпијевим тестирањем: (1) кртост од 475 степени (брзи губитак жилавости након 100–1000 сати на 300–500 степени), (2) сигма фаза крхкост (након 80 степени) (након 80 степени) алфа основно крхкост (дуготрајно-разлагање ферита на 300–400 степени). Сва три могу да смање вредности удара по Шарпију са 80–120 Ј на испод 20 Ј-што је катастрофалан губитак жилавости.

Који су Цхарпи захтеви за дуплекс СС ​​заварене зоне{0}}захваћене топлотом (ХАЗ)?

ХАЗ завара дуплекс нерђајућег челика је најслабија област у произведеној структури јер термички циклус завара изазива неравнотежу локалне фазе (прекомерно смањење ферита или аустенита), грубо зрно и могуће таложење. Критичне примене захтевају Цхарпи тестирање ЗУТ на пројектованој температури, са минималним вредностима типично 70–85% захтева за основни метал.

✔ Обични метал Цхарпи: 54 Ј на собној температури (АСТМ А240/А790 минимум).

✔ ХАЗ Цхарпи: 40 Ј минимум на собној температури за већину кодова; 45 Ј минимум на пројектованој температури за приморске и арктичке апликације.

✔ Метал шава Цхарпи: Депоновани метал шава (обично одговарајући пунило или пунило у целини) такође мора да испуњава Цхарпи захтеве. ЕР2594 (АВС А5.9) пунило за заваривање обично постиже 50–80 Ј на собној темп.

✔ Термичка обрада након-заваривања (ПВХТ): Дуплек СС НЕ треба да буде ПВХТ у опсегу од 300–800 степени због ризика од кртљења. Жарење раствором након заваривања је једини прихватљив ПВХТ пут.

Дуплекс у односу на аустенитни нерђајући челик: Поређење жилавости при ниској-

Изаберите дуплекс нерђајући челик за апликације испод-нуле када: (1) чврстоћа је битна (дуплекс има 2× границу течења од 316Л, што значи 40–60% мање материјала), (2) пројектована температура је већа или једнака –50 степени за стандардни дуплекс или већа или једнака –80 степени за супер хлоридни напон, и (3) напрезање на корозију на корозију (Цл-СЦЦ) је ризик (дуплекс је отпорнији). Изаберите аустенитни 304Л/316Л за унутрашње резервоаре ЛНГ, криогено складиштење и температуре испод -80 степени где опада жилавост дуплекса. За апликације испод{16}}нуле на −30 степени до −50 степени (процесни цевоводи платформе на мору, линије за убризгавање воде на Арктику), дуплек 2205 је технички супериорнији и исплативији-од 316Л.

Често постављана питања

АСТМ А240 и АСТМ А790 захтевају најмање 54 Ј (40 фт·лбф) Цхарпи В-енергија ударца за дуплекс нерђајући челик (С31803/С32205/С32750/С32760) у раствору-у жареном стању на 20 ТЕМПЕРАТУРЕ СОБЕ (2 ТЕМПЕРАТ ±5 степени). Међутим, ово је само минимални захтев за сертификацију-то НЕ значи да је материјал адекватан за вашу специфичну температуру рада. За апликације испод{15}}нуле (одобалне платформе, арктички цевоводи, криогене цеви), морате да наведете Цхарпи тестирање на ПРОЈЕКТНОЈ ТЕМПЕРАТУРИ са минималним вредностима од 45–50 Ј по применљивим пројектним кодовима (НОРСОК, АПИ, ЦСА, ИСО). Дуплекс плоча са 54 Ј на собној температури може показати само 30–40 Ј на -40 степени, што не би испунило захтеве пројекта на мору.

Може ли се дуплекс нерђајући челик 2205 користити у ЛНГ сервису на -162 степена?

Стандардни дуплекс 2205 се НЕ препоручује за примарни ЛНГ задржавање на -162 степена. Резервоари за складиштење ЛНГ користе аустенитни 304Л или 316Л за унутрашњу шкољку резервоара јер: (1) феритна фаза у дуплексу 2205 пролази кроз дуктилни-у-прелаз на приближно -60 степени до -80 степени, што доводи до наглог пада вредности Шарпија; (2) АСТМ А240 не сертификује 2205 за криогене услуге испод -50 степени. МЕЂУТИМ, супер дуплекс класе (2507, 32760) са сертификованим Цхарпи вредностима на -80 степени су одобрене за ЛНГ подморске проточне водове, спољне носаче резервоара и цевоводе изван границе примарне заштите, где се сусрећу пројектоване температуре од -80 степени до -100 степени. За примарно задржавање ЛНГ-а, увек користите аустенитни нерђајући челик 304Л/304 или 316Л/316.

Како ХАЗ завара утиче на вредности удара по Шарпи у дуплекс нерђајућем челику?

Закључак: ХАЗ шава дуплекс нерђајућег челика обично показује 20–40% ниже вредности удара по Шарпи од основног метала због: (1) грубости зрна у феритној матрици (смањење могућности заустављања пукотина-), (2) неравнотеже локалне фазе (зоне вишка ферита са могућим садржајем ниског аустенита ц₂ нитриН3), при брзом хлађењу из термичког циклуса заваривања. Критични пројекти на мору и на Арктику захтевају Цхарпи тестирање ХАЗ-а на пројектованој температури (обично од −20 степени до −40 степени) са минималним вредностима од 40–45 Ј. Најбоља пракса је да се користе одговарајући или свеукупно обојени метали за пуњење (нпр. ЕР2594 за С32750, ЕР2209), за контролну температуру С32205 и избегавање температуре између С32205. опсег од 300-800 степени. ГТАВ (ТИГ) и САВ завари генерално постижу веће вредности ХАЗ Цхарпи од СМАВ (штап).

Која је разлика између Цхарпи В-зареза (ЦВН) и ЦТОД испитивања отпорности на лом за дуплекс СС?

Шарпи В-зарез (ЦВН) мери укупну енергију (у џулима) апсорбовану за ломљење стандардизованог узорка са зарезом-то је тест скрининга, брз и јефтин, и стандардни алат за контролу квалитета прописан АСТМ А240/А790. ЦТОД (Померање отварања врха прслине) мери жилавост лома (у мм) материјала који садржи прави дефект-попут пукотине-то вам говори о критичној величини прслине која ће изазвати квар при датом напону и температури. За морске платформе, арктичке цевоводе и критичне судове под притиском, ЦТОД је све више специфициран јер омогућава инжењерима да израчунају максималну прихватљиву величину пукотине пре катастрофалног лома, што није могуће само са Цхарпи подацима. По правилу: користити Цхарпи за контролу квалитета и сертификацију материјала; користите ЦТОД за кондицију-за-процену услуге и критички дизајн.

Како се леан дуплек нерђајући челик (нпр. 2101, 2002) упоређује са 2205 за жилавост на ниским{5}температурама?

Леан дуплек разреди (ЛДКС 2101, УНС С32101; 2002, УНС С32003) су економичне алтернативе за 2205 са нижим садржајем Ни (од 5–8% до 1,5–5%) и стога нижом ценом. Њихова жилавост при ниским{10}температурама зависи од њихове специфичне запреминске фракције аустенита (АВФ) и садржаја азота. ЛДКС 2101 (АВФ ~45%, Н ~0,22%) показује Шарпијеве вредности од 55–70 Ј на −20 степени и 30–50 Ј на −40 степени -адекватне за многе приморске и арктичке примене, али не тако доследно као 2205 (који постиже 0 са 60–20°Ф). За арктичке пројекте са пројектованим температурама испод -40 степени, препоручује се 2205 или супер дуплекс у односу на леан дуплек. За оффсхоре платформе на −20 степени до −30 степени, леан дуплек 2101 је прихватљива и исплатива-алтернатива за 2205, под условом да се изврши Цхарпи тестирање на −20 степени или ниже.

Да ли дуплекс нерђајући челик захтева испитивање на удар (Цхарпи) на температурама испод{0}}нуле и како да одредим температуру испитивања?

Да, ако је ваша пројектована температура испод 0 степени или ако ваш применљиви код (АСМЕ Б31.3, ВИИИ-1, НОРСОК, АПИ, ЦСА З662) то наводи. Температура тестирања је типично ПРОЈЕКТНА ТЕМПЕРАТУРА МЕТАЛА, што је најнижа очекивана температура метала током рада плус било који додатак за радне транзијенте. Стандардне смернице: (1) Подморје Северног мора/Мексичког залива: тестирање на минимуму од -20 степени (НОРСОК М-001). (2) Арктички цевоводи: испитивање на -40 степени минимум (ЦСА З662, ИСО 3183). (3) Цјевовод терминала за регасификацију ЛНГ: испитивање на минимуму од -40 степени (пројектна спецификација). (4) Опште хемијско постројење у умереној клими: Шарпи собне температуре по АСТМ А240 је довољан осим ако температура процесне течности не падне испод 0 степени. Када сте у недоумици, тестирајте на минималној пројектованој температури метала са маргином од најмање 10 степени испод најниже очекиване радне температуре.