Παράγοντες περιορισμένες θερμοκρασίες λειτουργίας
Τυπικές εφαρμογές που απαιτούν την έκθεση των υλικών διπλής όψης σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας είναι τα δοχεία πίεσης, τα πτερύγια/πτερωτές ανεμιστήρα ή οι πλυντρίδες καυσαερίων.Οι απαιτήσεις για τις ιδιότητες του υλικού μπορεί να κυμαίνονται από υψηλή μηχανική αντοχή έως αντοχή στη διάβρωση. Η χημική σύνθεση των βαθμών που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο παρατίθενται στον Πίνακα 1.
Σπονδυλική αποσύνθεση
Η σπονδυλική αποσύνθεση (ονομάζεται επίσης απομίξη ή ιστορικά ως 475 °C-ευθραυστότητα) είναι ένας τύπος διαχωρισμού φάσεων στη φερριτική φάση, ο οποίος συμβαίνει σε θερμοκρασίες περίπου 475 °C.Το πιο έντονο αποτέλεσμα είναι μια αλλαγή στη μικροδομή, προκαλώντας το σχηματισμό της φάσης α΄, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την ευθραυστότητα του υλικού.Αυτό, με τη σειρά του, περιορίζει την απόδοση του τελικού προϊόντος.
Το Σχήμα 1 δείχνει το διάγραμμα μετάβασης χρόνου θερμοκρασίας (TTT) για τα διπλά υλικά που μελετήθηκαν, με την σπονδυλική αποσύνθεση να αντιπροσωπεύεται στην περιοχή των 475 °C.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό το διάγραμμα TTT αντιπροσωπεύει μια μείωση της σκληρότητας κατά 50% που μετράται με τη δοκιμή σκληρότητας κρούσης σε δείγματα Charpy-V, η οποία συνήθως γίνεται αποδεκτή ως ένδειξη ευθραυστότητας.Σε ορισμένες εφαρμογές μπορεί να είναι αποδεκτή μεγαλύτερη μείωση της σκληρότητας, η οποία αλλάζει το σχήμα του διαγράμματος TTT.Επομένως, η απόφαση για τον καθορισμό ενός συγκεκριμένου μέγιστου OT εξαρτάται από το τι θεωρείται αποδεκτό επίπεδο ευθραυστότητας, δηλαδή μείωση σκληρότητας για το τελικό προϊόν.Θα πρέπει να αναφερθεί ότι ιστορικά γραφήματα TTT παράγονταν επίσης χρησιμοποιώντας ένα καθορισμένο όριο, όπως το 27J.
Υψηλότερες ποιότητες κράματος
Το σχήμα 1 δείχνει ότι η αύξηση των στοιχείων κράματος από τον βαθμό LDX 2101 προς τον βαθμό SDX 2507 οδηγεί σε ταχύτερο ρυθμό αποσύνθεσης, ενώ το άπαχο duplex δείχνει μια καθυστερημένη έναρξη αποσύνθεσης.Η επίδραση στοιχείων κράματος όπως το χρώμιο (Cr) και το νικέλιο (Ni) στη σπονδυλική αποσύνθεση και την ευθραυστότητα έχει αποδειχθεί από προηγούμενες έρευνες.5–8 Αυτή η επίδραση απεικονίζεται περαιτέρω στο Σχήμα 2. Δείχνει ότι η σπονδυλική αποσύνθεση αυξάνεται όταν η θερμοκρασία αυξάνεται από τους 300 στους 350 °C και είναι πιο γρήγορο για το υψηλότερου βαθμού κράματος SDX 2507 από ό,τι για το λιγότερο κράμα DX 2205.
Αυτή η κατανόηση μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας για να βοηθήσει τους πελάτες να αποφασίσουν για το μέγιστο OT που είναι κατάλληλο για τον επιλεγμένο βαθμό και την εφαρμογή τους.
Προσδιορισμός μέγιστης θερμοκρασίας
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μέγιστο OT για υλικό διπλής όψης μπορεί να ρυθμιστεί σύμφωνα με την αποδεκτή πτώση της αντοχής σε κρούση.Συνήθως, υιοθετείται το OT που αντιστοιχεί σε τιμή μείωσης σκληρότητας 50%.
Το OT εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τον χρόνο
Η κλίση στις ουρές των καμπυλών στο διάγραμμα TTT στο Σχήμα 1 δείχνει ότι η σπονδυλική αποσύνθεση δεν συμβαίνει μόνο σε μια θερμοκρασία κατωφλίου και σταματά κάτω από αυτό το επίπεδο.Αντίθετα, είναι μια συνεχής διαδικασία όταν τα υλικά διπλής όψης εκτίθενται σε θερμοκρασίες λειτουργίας κάτω από 475 °C.Ωστόσο, είναι επίσης σαφές ότι, λόγω των χαμηλότερων ρυθμών διάχυσης, χαμηλότερες θερμοκρασίες σημαίνει ότι η αποσύνθεση θα ξεκινήσει αργότερα και θα προχωρήσει πολύ πιο αργά.Επομένως, η χρήση υλικού διπλής όψης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ενδέχεται να μην προκαλέσει προβλήματα για χρόνια ή και δεκαετίες.Ωστόσο, επί του παρόντος υπάρχει μια τάση να ορίζεται ένα μέγιστο OT χωρίς να λαμβάνεται υπόψη ο χρόνος έκθεσης.Το βασικό ερώτημα είναι επομένως ποιος συνδυασμός θερμοκρασίας-χρόνου θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να αποφασιστεί εάν είναι ασφαλές να χρησιμοποιηθεί ένα υλικό ή όχι;Οι Herzman et al.10 συνοψίζουν καλά αυτό το δίλημμα: «…Η χρήση θα περιοριστεί στη συνέχεια σε θερμοκρασίες όπου η κινητική της απομίξης είναι τόσο χαμηλή που δεν θα συμβεί κατά τη διάρκεια της σχεδιασμένης τεχνικής ζωής του προϊόντος…».
Η επίδραση της συγκόλλησης
Οι περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούν συγκόλληση για την ένωση εξαρτημάτων.Είναι ευρέως γνωστό ότι η μικροδομή της συγκόλλησης και η χημεία της διαφέρουν από το υλικό βάσης 3 .Ανάλογα με το υλικό πλήρωσης, την τεχνική συγκόλλησης και τις παραμέτρους συγκόλλησης, η μικροδομή των συγκολλήσεων είναι ως επί το πλείστον διαφορετική από το χύμα υλικό.Η μικροδομή είναι συνήθως πιο τραχιά και περιλαμβάνει επίσης τη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας (HTHAZ), η οποία επηρεάζει τη σπονδυλική αποσύνθεση στις συγκολλήσεις.Η διακύμανση της μικροδομής μεταξύ του όγκου και των συγκολλήσεων είναι ένα θέμα που εξετάζεται εδώ.
Συνοψίζοντας περιοριστικούς παράγοντες
Οι προηγούμενες ενότητες οδηγούν στα ακόλουθα συμπεράσματα:
- Όλα τα υλικά διπλής όψης υπόκεινται
σε σπονδυλική αποσύνθεση σε θερμοκρασίες γύρω στους 475 °C. - Ανάλογα με την περιεκτικότητα σε κράμα, αναμένεται ταχύτερος ή βραδύτερος ρυθμός αποσύνθεσης.Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε Cr και Ni προάγει την ταχύτερη απομίξη.
- Για να ρυθμίσετε τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας:
– Πρέπει να ληφθεί υπόψη ένας συνδυασμός χρόνου λειτουργίας και θερμοκρασίας.
– Πρέπει να οριστεί ένα αποδεκτό επίπεδο μείωσης της σκληρότητας, δηλαδή ένα επιθυμητό επίπεδο τελικής σκληρότητας - Όταν εισάγονται πρόσθετα μικροδομικά στοιχεία, όπως συγκολλήσεις, το μέγιστο OT καθορίζεται από το ασθενέστερο τμήμα.
Παγκόσμια πρότυπα
Πολλά ευρωπαϊκά και αμερικανικά πρότυπα αναθεωρήθηκαν για αυτό το έργο.Επικεντρώθηκαν σε εφαρμογές σε δοχεία πίεσης και εξαρτήματα σωληνώσεων.Σε γενικές γραμμές, η απόκλιση σχετικά με το συνιστώμενο μέγιστο OT μεταξύ των αναθεωρημένων προτύπων μπορεί να χωριστεί σε ευρωπαϊκή και αμερικανική άποψη.
Τα ευρωπαϊκά πρότυπα προδιαγραφών υλικών για ανοξείδωτους χάλυβες (π.χ. EN 10028-7, EN 10217-7) συνεπάγονται μέγιστο OT 250 °C από το γεγονός ότι οι ιδιότητες του υλικού παρέχονται μόνο μέχρι αυτή τη θερμοκρασία.Επιπλέον, τα ευρωπαϊκά πρότυπα σχεδιασμού για δοχεία πίεσης και σωληνώσεις (EN 13445 και EN 13480, αντίστοιχα) δεν παρέχουν περαιτέρω πληροφορίες σχετικά με το μέγιστο OT από αυτά που δίνονται στα πρότυπα υλικών τους.
Αντίθετα, η αμερικανική προδιαγραφή υλικού (π.χ. ASME SA-240 της ενότητας ASME II-A) δεν παρουσιάζει καθόλου δεδομένα αυξημένης θερμοκρασίας.Αυτά τα δεδομένα παρέχονται στην ενότητα ASME II-D, «Ιδιότητες», η οποία υποστηρίζει τους γενικούς κώδικες κατασκευής για δοχεία πίεσης, τα τμήματα ASME VIII-1 και VIII-2 (τα τελευταία προσφέρουν μια πιο προηγμένη διαδρομή σχεδιασμού).Στο ASME II-D, το μέγιστο OT αναφέρεται ρητά ως 316 °C για τα περισσότερα κράματα διπλής όψης.
Για εφαρμογές σωληνώσεων υπό πίεση, τόσο οι κανόνες σχεδιασμού όσο και οι ιδιότητες του υλικού δίνονται στο ASME B31.3.Σε αυτόν τον κωδικό, παρέχονται μηχανικά δεδομένα για κράματα διπλής όψης έως 316 °C χωρίς σαφή δήλωση του μέγιστου OT.Ωστόσο, μπορείτε να ερμηνεύσετε τις πληροφορίες ώστε να συμμορφώνονται με αυτό που αναγράφεται στο ASME II-D, και έτσι, το μέγιστο OT για τα αμερικανικά πρότυπα είναι στις περισσότερες περιπτώσεις 316 °C.
Εκτός από τις μέγιστες πληροφορίες OT, τόσο τα αμερικανικά όσο και τα ευρωπαϊκά πρότυπα υποδηλώνουν ότι υπάρχει κίνδυνος εμφάνισης ευθραυστότητας σε υψηλές θερμοκρασίες (>250 °C) σε μεγαλύτερους χρόνους έκθεσης, κάτι που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη τόσο στη φάση του σχεδιασμού όσο και στη φάση συντήρησης.
Για τις συγκολλήσεις, τα περισσότερα πρότυπα δεν κάνουν καμία σταθερή δήλωση σχετικά με τον αντίκτυπο της σπονδυλικής αποσύνθεσης.Ωστόσο, ορισμένα πρότυπα (π.χ. ASME VIII-1, Πίνακας UHA 32-4) υποδεικνύουν τη δυνατότητα πραγματοποίησης ειδικών θερμικών επεξεργασιών μετά τη συγκόλληση.Αυτά δεν απαιτούνται ούτε απαγορεύονται, αλλά κατά την εκτέλεσή τους θα πρέπει να εκτελούνται σύμφωνα με προκαθορισμένες παραμέτρους στο πρότυπο.
Τι λέει ο κλάδος
Οι πληροφορίες που παρήχθησαν από αρκετούς άλλους κατασκευαστές ανοξείδωτου χάλυβα διπλής όψης εξετάστηκαν για να δούμε τι κοινοποιούν σχετικά με τα εύρη θερμοκρασίας για τις ποιότητες τους.Το 2205 περιορίζεται στους 315 °C από το ATI, αλλά το Acerinox ορίζει το OT για τον ίδιο βαθμό μόνο στους 250 °C.Αυτά είναι τα ανώτερα και κατώτερα όρια OT για τον βαθμό 2205, ενώ μεταξύ τους άλλα OT κοινοποιούνται από τις Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) και ArcelorMittal (280 °C).Αυτό καταδεικνύει την ευρεία εξάπλωση των προτεινόμενων μέγιστων OT μόνο για μία κατηγορία που θα έχει πολύ συγκρίσιμες ιδιότητες από κατασκευαστή σε κατασκευαστή.
Το βασικό σκεπτικό για το γιατί ένας κατασκευαστής έχει ορίσει ένα συγκεκριμένο OT δεν αποκαλύπτεται πάντα.Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό βασίζεται σε ένα συγκεκριμένο πρότυπο.Διαφορετικά πρότυπα επικοινωνούν διαφορετικά OT, εξ ου και η διαφορά στις τιμές.Το λογικό συμπέρασμα είναι ότι οι αμερικανικές εταιρείες θέτουν υψηλότερη τιμή λόγω των δηλώσεων στο πρότυπο ASME, ενώ οι ευρωπαϊκές εταιρείες ορίζουν χαμηλότερη τιμή λόγω του προτύπου EN.
Τι χρειάζονται οι πελάτες;
Ανάλογα με την τελική εφαρμογή, αναμένονται διάφορα φορτία και εκθέσεις των υλικών.Σε αυτό το έργο, η ευθραυστότητα λόγω της σπονδυλικής αποσύνθεσης είχε μεγαλύτερο ενδιαφέρον καθώς είναι πολύ εφαρμόσιμο σε δοχεία πίεσης.
Ωστόσο, υπάρχουν διάφορες εφαρμογές που εκθέτουν τις ποιότητες διπλής όψης μόνο σε μεσαία μηχανικά φορτία, όπως οι πλυντρίδες11–15.Ένα άλλο αίτημα αφορούσε τα πτερύγια και τις φτερωτές του ανεμιστήρα, τα οποία είναι εκτεθειμένα σε φορτία κόπωσης.Η βιβλιογραφία δείχνει ότι η σπονδυλική αποσύνθεση συμπεριφέρεται διαφορετικά όταν εφαρμόζεται φορτίο κόπωσης15.Σε αυτό το στάδιο, γίνεται σαφές ότι το μέγιστο OT αυτών των εφαρμογών δεν μπορεί να ρυθμιστεί με τον ίδιο τρόπο όπως για τα δοχεία πίεσης.
Μια άλλη κατηγορία αιτημάτων αφορά μόνο εφαρμογές που σχετίζονται με τη διάβρωση, όπως πλυντρίδες καυσαερίων θαλάσσης.Σε αυτές τις περιπτώσεις, η αντίσταση στη διάβρωση είναι πιο σημαντική από τον περιορισμό OT υπό μηχανικό φορτίο.Ωστόσο, και οι δύο παράγοντες επηρεάζουν τη λειτουργία του τελικού προϊόντος, το οποίο πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν υποδεικνύεται το μέγιστο OT.Και πάλι, αυτή η περίπτωση διαφέρει από τις δύο προηγούμενες περιπτώσεις.
Συνολικά, όταν συμβουλεύουμε έναν πελάτη για το κατάλληλο μέγιστο OT για τον βαθμό διπλής όψης του, ο τύπος της εφαρμογής είναι ζωτικής σημασίας για τον καθορισμό της τιμής.Αυτό καταδεικνύει περαιτέρω την πολυπλοκότητα του καθορισμού ενός ενιαίου OT για έναν βαθμό, καθώς το περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσεται το υλικό έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διαδικασία ευθραυστότητας.
Ποια είναι η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας για το duplex;
Όπως αναφέρθηκε, η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας καθορίζεται από την πολύ χαμηλή κινητική της σπονδυλικής αποσύνθεσης.Πώς μετράμε όμως αυτή τη θερμοκρασία και τι ακριβώς είναι οι «χαμηλές κινητικές»;Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα είναι εύκολη.Έχουμε ήδη δηλώσει ότι οι μετρήσεις σκληρότητας συνήθως εκτελούνται για την εκτίμηση του ρυθμού και της προόδου της αποσύνθεσης.Αυτό ορίζεται στα πρότυπα που ακολουθούν οι περισσότεροι κατασκευαστές.
Η δεύτερη ερώτηση, σχετικά με το τι σημαίνει χαμηλή κινητική και την τιμή στην οποία ορίζουμε ένα όριο θερμοκρασίας είναι πιο περίπλοκη.Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι οι οριακές συνθήκες της μέγιστης θερμοκρασίας καταρτίζονται τόσο από τη μέγιστη θερμοκρασία (T) καθεαυτή όσο και από τον χρόνο λειτουργίας (t) στον οποίο διατηρείται αυτή η θερμοκρασία.Για την επικύρωση αυτού του συνδυασμού Tt, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες ερμηνείες της «χαμηλότερης» σκληρότητας:
• Το κατώτερο όριο, το οποίο ορίζεται ιστορικά και μπορεί να εφαρμοστεί για συγκολλήσεις είναι 27 Joules (J)
• Εντός προτύπων ως όριο ως επί το πλείστον τίθενται τα 40J.
• Η μείωση της αρχικής σκληρότητας κατά 50% εφαρμόζεται επίσης συχνά για τον καθορισμό του κατώτερου ορίου.
Αυτό σημαίνει ότι μια δήλωση για το μέγιστο OT πρέπει να βασίζεται σε τουλάχιστον τρεις συμφωνημένες παραδοχές:
• Έκθεση θερμοκρασίας-χρόνου του τελικού προϊόντος
• Η αποδεκτή ελάχιστη τιμή σκληρότητας
• Τελικό πεδίο εφαρμογής (μόνο χημεία, μηχανικό φορτίο ναι/όχι κ.λπ.)
Συγχωνευμένη πειραματική γνώση
Μετά από μια εκτεταμένη έρευνα πειραματικών δεδομένων και προτύπων, κατέστη δυνατό να συγκεντρωθούν συστάσεις για τις τέσσερις υπό εξέταση ποιότητες διπλής όψης, βλέπε Πίνακα 3. Θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι τα περισσότερα από τα δεδομένα δημιουργούνται από εργαστηριακά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με βήματα θερμοκρασίας 25 °C .
Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι αυτές οι συστάσεις αναφέρονται στο 50% τουλάχιστον της σκληρότητας που παραμένει στο RT.Όταν στον πίνακα υποδεικνύεται «μεγαλύτερη χρονική περίοδος», δεν έχει τεκμηριωθεί σημαντική μείωση στο RT.Επιπλέον, η συγκόλληση έχει δοκιμαστεί μόνο στους -40 °C.Τέλος, πρέπει να σημειωθεί ότι αναμένεται μεγαλύτερος χρόνος έκθεσης για το DX 2304, λαμβάνοντας υπόψη την υψηλή σκληρότητά του μετά από 3.000 ώρες δοκιμής.Ωστόσο, σε ποιο βαθμό μπορεί να αυξηθεί η έκθεση πρέπει να επαληθευτεί με περαιτέρω δοκιμές.
Υπάρχουν τρία σημαντικά σημεία που πρέπει να σημειωθούν:
• Τα τρέχοντα ευρήματα δείχνουν ότι εάν υπάρχουν συγκολλήσεις, το OT μειώνεται κατά περίπου 25 °C.
• Οι βραχυπρόθεσμες αιχμές (δεκάδες ώρες σε T=375 °C) είναι αποδεκτές για το DX 2205. Καθώς οι DX 2304 και LDX 2101 είναι χαμηλότερες ποιότητες κράματος, θα πρέπει να είναι επίσης αποδεκτές και συγκρίσιμες βραχυπρόθεσμες αιχμές θερμοκρασίας.
• Όταν το υλικό είναι εύθραυστο λόγω αποσύνθεσης, η θερμική επεξεργασία μετριασμού στους 550 – 600 °C για το DX 2205 και στους 500 °C για το SDX 2507 για 1 ώρα βοηθά στην ανάκτηση της σκληρότητας κατά 70%.
Ώρα δημοσίευσης: Φεβ-04-2023