Duplex S32205 vs 316L nerūdijantis plienas: stiprumo palyginimas ir svorio sutaupymas projektuojant konstrukciją

Stiprumas:S32205 minimali takumo riba (450 MPa) yra maždaug 2,6 karto didesnė nei 316 l (170 MPa).

Svorio taupymas:Pakeitus 316 l į S32205, konstrukcijos svoris gali sumažėti 30-50 %, jei konstrukcijos priklauso nuo stiprumo.

Korozija:S32205 PREN ~35 viršija 316L ~25, todėl užtikrina puikų atsparumą chloridams.

SCC:S32205 atsparus chlorido įtempių korozijos įtrūkimams iki ~150-200 C; 316L gali įtrūkti aukštesnėje nei 60 C temperatūroje.

Kaina:S32205 kainuoja apie 20–30 % daugiau už kilogramą, bet dažnai sumažina svorį dėl mažesnės bendros projekto sąnaudos.

Gamyba:316L siūlo geresnį suvirinamumą, formuojamumą ir kriogeninį atsparumą nei S32205.

Kas yra S32205 dvipusis nerūdijantis plienas?

S32205 yra azotu{1}}patobulintas dvipusis nerūdijantis plienas, kurio mikrostruktūra yra maždaug 50 % austenito ir 50 % ferito, užtikrinanti maždaug dvigubai didesnį takumo ribą nei įprastos austenitinės klasės ir pasižymintis puikiu atsparumu chlorido korozijai.

Terminas „dvipusis“ reiškia medžiagos dvifazę{0}}mikrostruktūrą. Kruopščiai subalansuodami chromą (22–23 %), nikelį (4,5–6,5 %), molibdeną (3,0–3,5 %) ir azotą (0,14–0,20 %), metalurgai pasiekia struktūrą, kurioje feritas užtikrina didelį stiprumą ir atsparumą korozijai, o austenitas – tvirtumą ir plastiškumą. Azoto papildymas dar labiau sustiprina abi fazes ir padidina atsparumą duobėms.

S32205 (UNS S32205) buvo sukurtas kaip patobulinta ankstesnės S31803 klasės versija su griežčiau kontroliuojamu azoto kiekiu (0,14–0,20 %, palyginti su . 0.08-0.20 %), siekiant optimizuoti fazių balansą ir veikimo nuoseklumą. Rezultatas – medžiaga, kurioje derinamas feritinio nerūdijančio plieno stiprumas su kietumu ir suvirinamumu, kuris artėja prie austenitinio plieno.

1 lentelė. S32205 (ASTM A240) cheminė sudėtis

Kas yra 316L austenitinis nerūdijantis plienas?

316L yra mažai anglies išskiriantis, visiškai austenitinis nerūdijantis plienas, plačiai pripažintas dėl puikaus atsparumo korozijai, puikaus suvirinamumo ir gero formavimo, tačiau jis pasižymi santykinai mažesniu mechaniniu stiprumu nei duplekso alternatyvos.

„L“ 316 l reiškia mažą anglies kiekį (<=0.03%), which minimizes carbide precipitation (sensitization) during welding and thereby preserves corrosion resistance in the heat-affected zone. With chromium (16-18%), nickel (10-14%), and molybdenum (2.0-3.0%), 316L provides good general corrosion resistance and moderate resistance to pitting and crevice corrosion in chloride environments.

Jo visiškai austenitinė mikrostruktūra užtikrina puikų tvirtumą net esant kriogeninei temperatūrai ir puikų formavimą atliekant giluminio tempimo ir sudėtingų formavimo operacijų metu. Tačiau vienfazė austenitinė struktūra iš prigimties suteikia mažesnę takumo ribą, palyginti su dviejų fazių{2}} alternatyvomis – paprastai mažiau nei perpus mažesnės nei dvipusės klasės.

2 lentelė. 316L (ASTM A240) cheminė sudėtis

Kaip S32205 našumo stiprumas lyginamas su 316L?

S32205 siūlo minimalų 0,2 % takumo ribą, 450 MPa (65 ksi), maždaug 2,6 karto daugiau nei 170 MPa (25 ksi) mažiausia 316 l vienam ASTM A240, todėl jis yra daug tvirtesnis apkrovą laikančioms konstrukcijoms.

Takumo stipris – įtempis, kuriam esant medžiaga pradeda plastiškai deformuotis – yra pagrindinis daugelio konstrukcijų projektavimo parametras. Dramatiškas skirtumas atsiranda dėl mikrostruktūros: S32205 ferito fazė turi didesnį dislokacijos tankį ir mažesnę krovimo gedimo energiją, todėl atsparumas plastinei deformacijai yra didesnis.

Praktiškai konstrukcinio elemento, suprojektuoto atlaikyti konkrečią apkrovą naudojant 316L, reikia maždaug 2,6 karto didesnio skerspjūvio ploto, jei ji suprojektuota su tokia pačia geometrija S32205 -- arba lygiavertiškai, S32205 elementas gali būti maždaug 62 % plonesnis, kai nešama tokia pati apkrova.

3 lentelė. Išeigos stiprumo palyginimas (ASTM A240 minimumai)

Kaip S32205 tempiamasis stipris lyginamas su 316L?

S32205 minimalus ribinis tempiamasis stipris yra 620 MPa (90 ksi), maždaug 28 % didesnis nei 316L 485 MPa (70 ksi) pagal ASTM A240, todėl užtikrina didesnį atsparumą plyšimui esant ekstremalioms apkrovoms.

Galutinis tempiamasis stipris (UTS) reiškia didžiausią įtempį, kurį medžiaga gali atlaikyti prieš lūžimą. Nors UTS skirtumas (28%) yra mažesnis nei takumo ribos skirtumas (165%), jis išlieka reikšmingas tais atvejais, kai gali susidaryti perkrovos sąlygos. Didesnis S32205 UTS taip pat reiškia, kad jis išlaiko didesnę saugos ribą tarp išeigos ir lūžimo ir suteikia papildomo struktūrinio pertekliaus.

Pažymėtina, kad didesnis 316L pailgėjimas (40 %, palyginti su . 25 %) reiškia, kad jis labiau deformuojasi prieš sugesdamas, todėl užtikrina puikų lankstumą - – tai atsižvelgiama į tai, kad reikia didelės plastinės deformacijos kaip įspėjimo apie gedimą mechanizmo. Šis kompromisas tarp stiprumo ir lankstumo yra pagrindinis metalurgijos principas: dvipusės rūšys pakeičia tam tikrą plastiškumą į žymiai didesnį stiprumą.

4 lentelė. Tempimo savybių palyginimas (ASTM A240)

Kiek svorio galima sutaupyti pakeitus 316L į S32205?

Konstrukcijų projekte perėjus nuo 316L į S32205, galima sutaupyti 30–50 % svorio, atsižvelgiant į reglamentuojantį projektavimo kodą, apkrovos sąlygas, minimalius storio reikalavimus ir geometrinius apribojimus.

Svorio taupymo skaičiavimai priklauso nuo to, kuris gedimo režimas lemia dizainą:

Išeiga{0}}Valdoma konstrukcija (pvz., slėginiai indai pagal ASME BPVC):

Slėginio indo konstrukcijoje reikalingas sienelės storis apskaičiuojamas kaip t=(P x R) / (S x E - 0.6P), kur P=projektinis slėgis, R=spindulys, S=leistinas įtempis ir E=jungties efektyvumas. Kai S32205 leistinas įtempis yra maždaug 2,6 karto didesnis nei 316 l, apskaičiuotas sienelės storis teoriškai gali būti sumažintas maždaug 62%. Tačiau praktiniai sumetimai, įskaitant minimalius gamybos storio reikalavimus, korozijos pašalpas ir suvirinimo jungčių efektyvumą, paprastai sumažina faktinį sutaupymą iki 40–50%.

Standumas{0}}Valdomas dizainas (pvz., sijos įlinkis):

Kai nustatomos deformacijos ribos, reikiamus matmenis nustato sekcijos modulis (ne takumo riba). Kadangi abiejų medžiagų tamprumo moduliai yra panašūs (apie 200 GPa), vien perėjimas prie S32205 nesumažina svorio, jei įlinkis yra valdymo kriterijus. Tačiau daugumoje konstrukcijų vyrauja stiprumo ir standumo derinys, leidžiantis iš dalies sumažinti svorį.

Sulenkimas{0}}Valdomas dizainas (pvz., stulpeliai ir plokštės):

Kolonoms ir plokštėms, kurios gali sulinkti, svarbus ir medžiagos stiprumas, ir geometrinės savybės. Didesnė S32205 takumo riba atitolina plastiko sulinkimą, todėl daugelyje konfigūracijų galima naudoti plonesnes dalis. Tipiškas svorio sutaupymas: 30-40%.

5 lentelė. Svorio sumažinimas pagal projektavimo scenarijų

Kuri medžiaga pasižymi geresniu atsparumu įdubimams ir plyšiams korozijai?

S32205 užtikrina puikų atsparumą taškinei korozijai ir plyšinei korozijai, kurio atsparumo taškams lygiavertis skaičius (PREN) yra maždaug 35, palyginti su 316L PREN, kuris yra maždaug 25, todėl jis žymiai atsparesnis vietinei korozijai aplinkoje, kurioje yra chlorido.

PREN yra plačiai pripažinta empirinė metrika, skirta įvertinti nerūdijančio plieno atsparumą taškinei korozijai. Jis apskaičiuojamas taip: PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

S32205: PREN=22 + (3,3 x 3) + (16 x 0,17)=22 + 9.9 + 2.72=maždaug 34,6

316L: PREN=17 + (3,3 x 2,5) + (16 x 0)=17 + 8.25 + 0=maždaug 25,3

PREN virš 32 paprastai laikomas būtinu patikimam jūros vandens aptarnavimui. S32205 patogiai viršija šią slenkstį, o 316L nesiekia. Praktiškai tai reiškia, kad S32205 gali būti naudojamas jūros aplinkoje, sūriame vandenyje ir chloridų{6}}turinčiose procesų srautuose, kur 316L greitai susidurtų su duobėmis.

6 lentelė. Atsparumo korozijai palyginimas

Kaip S32205 ir 316L lyginami atsparumu korozijai įtrūkimams?

Dėl ferito fazės S32205 atsparumas chlorido įtempių korozijos įtrūkimams (SCC) yra žymiai geresnis nei 316L, nes jis iš prigimties yra atsparesnis SCC nei visiškai austenitinė 316L struktūra.

Chlorido įtempių korozijos įtrūkimai yra gedimo mechanizmas, kai tempimo įtempis kartu su chlorido poveikiu sukelia trapus austenitinio nerūdijančio plieno įtrūkimus. Standartinės austenitinės klasės (įskaitant 316 l) yra jautrios SCC esant aukštesnei nei 60 C temperatūrai aplinkoje, kurioje yra chlorido.

Dvipusio nerūdijančio plieno ferito fazė veikia kaip kliūtis įtrūkimams plisti dėl trijų pagrindinių priežasčių: (1) feritas turi mažesnį vidinį įtempį dėl šalto darbo; (2) įtrūkimų keliai turi kirsti fazių ribas, todėl reikia daugiau energijos; ir (3) dviejų fazių struktūra apsaugo nuo nuolatinių slydimo juostų, kurios palengvina įtrūkimų augimą.

S32205 paprastai atsparus SCC iki maždaug 150-200 C chlorido tirpaluose, o 316L gali įtrūkti net 60 C temperatūroje. Dėl to S32205 yra tinkamiausias pasirinkimas karštų chlorido turinčių įrenginių, pvz., šilumokaičių, katilų ir jūrinių komponentų, veikiančių aukštesnėje temperatūroje, pasirinkimas.

Kokie yra suvirinamumo ir gamybos skirtumai?

316L lengviau suvirinti ir pagaminti taikant minimalius proceso apribojimus, o S32205 reikalingas kontroliuojamas šilumos tiekimas (paprastai 0,5-2,5 kJ/mm), tinkamas užpildo metalo parinkimas (pvz., ER2209) ir po-suvirinimo tikrinimo, kad būtų išlaikytas optimalus austenito ir ferito fazių balansas (tikslas: 45-55 % feritas).

Suvirinamumo skirtumas atsiranda dėl fazių balanso reikalavimo dvipusiam nerūdijančiam plienui:

316L suvirinimas:

• Puikus suvirinamumas visuose įprastuose procesuose (GTAW, GMAW, SMAW, FCAW, SAW)
• Jokių specialių šilumos tiekimo apribojimų
• Mažas anglies kiekis apsaugo nuo įjautrinimo{0}}šilumos paveiktoje zonoje
• Jokio fazių balanso problemų – viena austenitinė fazė
• Lengvai prieinami ir standartizuoti užpildai (ER316L)

S32205 Suvirinimas:

• Suvirinama standartiniais procesais, tačiau reikia kvalifikuotų suvirinimo procedūrų
• Šilumos tiekimas turi būti kontroliuojamas (paprastai 0,5–2,5 kJ/mm), kad būtų užtikrinta tinkama fazinė transformacija
• Per mažas šilumos kiekis sukelia per daug ferito (trupėjimo rizika)
• Per didelis šilumos srautas sukelia pernelyg didelį grūdų augimą ir tarpmetalinių kritulių susidarymą
• Užpildai, turintys didesnį nikelio kiekį (pvz., ER2209), skatina austenito susidarymą suvirinimo metale
• Esant svarbioms reikmėms, gali prireikti po-suvirinimo tirpalo atkaitinimo
• Perėjimo temperatūra turi būti ribojama (paprastai<150 C) to avoid intermetallic phase precipitation

Kuo skiriasi S32205 ir 316L šiluminės savybės?

S32205 šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE) yra mažesnis – maždaug 13,0 x 10^-6 /C, palyginti su 316L 16,0 x 10^-6 /C (20–100 C), todėl sumažėja šiluminiai iškraipymai, terminio nuovargio rizika ir dėl to jis yra labiau suderinamas su anglinio plieno struktūromis.

CTE skirtumas turi tris svarbias praktines pasekmes:

1. Šiluminis iškraipymas:

Taikant temperatūros ciklą, 316L didesnis CTE reiškia didesnį matmenų pokytį, kuris gali sukelti fiksuotų jungčių įtempimą ir terminį nuovargį. S32205 mažesnis CTE sumažina šį poveikį maždaug 20%.

2. Mišrios struktūros:

Kai nerūdijančio plieno komponentai sujungiami su anglinio plieno konstrukcijomis (dažnos naftos ir dujų, cheminio apdorojimo), S32205 CTE yra daug arčiau anglinio plieno (apie 12 x 10^-6 /C), todėl suvirinimo siūlėse ir varžtų jungtyse sumažėja diferencinis plėtimosi įtempis.

3. Šilumos laidumas:

S32205 šilumos laidumas yra šiek tiek mažesnis (apie 15 W/mK, palyginti su . 16 W/mK 316 l), o tai nežymiai veikia šilumos perdavimą naudojant šilumokaičius, bet paprastai nėra lemiamas veiksnys renkantis medžiagą.

7 lentelė. Šiluminių savybių palyginimas

Kokios yra S32205, didesnės nei 316 l, pasirinkimo išlaidos?

S32205 už kilogramą paprastai kainuoja 20–30 % daugiau nei 316 l, bet kai atsižvelgiama į sutaupytą svorį dėl didesnio stiprumo, bendra gatavo konstrukcinio komponento medžiagų kaina dažnai yra lygi arba mažesnė nei 316 litrų, o tai papildomai sutaupo transportavimo, montavimo ir pamatų išlaidas.

Atliekant sąnaudų analizę turi būti atsižvelgta ir į vieneto kainą, ir į bendrą medžiagų sunaudojimą:

Medžiagos kaina už kilogramą:

316L: bazinė kaina (100 % nuoroda)

S32205: maždaug 120-130% nuo 316L kainos

Bendra medžiagų kaina už lygiavertį konstrukcinį našumą:

Jei S32205 konstrukcijos elementas gali būti 40–50% lengvesnis (dėl didesnės takumo ribos), nešdamas tą pačią apkrovą, skaičiavimas yra toks: S32205 svoris (0,55) x kainos priedas (1,25)=0.69 arba 69% 316 litrų kainos. Tai leidžia sutaupyti maždaug 30 % grynųjų medžiagų sąnaudų.

Papildomi svorio mažinimo išlaidų privalumai:

Sumažėjusios siuntimo ir tvarkymo išlaidos

Lengvesnės atraminės konstrukcijos ir pamatai

Mažesni montavimo įrangos reikalavimai

Sumažėjusi ilgalaikė{0}} priežiūra dėl didelio atsparumo korozijai

Kainos veiksniai palankūs 316L:

Paprastesnės suvirinimo procedūros sumažina gamybos darbo sąnaudas

Plačiau prieinama iš atsargų atsargų

Mažesnės užpildo metalo sąnaudos

Mažiau griežti tikrinimo ir kokybės kontrolės reikalavimai

Kurios programos geriausiai tinka kiekvienai medžiagai?

S32205 yra optimalus didelio -stiprumo, korozijos-kritinėms reikmėms, pvz., slėginiams indams, atviroje jūroje esančioms platformoms, šilumokaičiams ir cheminių medžiagų laikymo rezervuarams, o 316L puikiai tinka naudoti, kai reikalingas platus suvirinimas, sudėtingas formavimas, kriogeninis atsparumas arba kur pirminis medžiagų sąnaudų mažinimas yra pagrindinis veiksnys.

Pasirinkimas priklauso nuo konkretaus mechaninių, korozijos, gamybos ir ekonominių reikalavimų derinio. Toliau pateiktoje lentelėje apibendrinami pritaikymo tinkamumo įvertinimai:

8 lentelė. Naudojimo tinkamumo palyginimas

Kurį nerūdijantį plieną turėtumėte pasirinkti savo konstrukciniam dizainui?

Pasirinkite S32205, kai pagrindiniai dizaino veiksniai yra takumo riba, svorio mažinimas ir atsparumas chlorido korozijai; rinkitės 316L, kai pirmenybė teikiama suvirinamumui, formavimui, kriogeniniam atsparumui arba mažesnėms pradinėms medžiagų sąnaudoms. Daugumoje konstrukcijų, kurias lemia stiprumas, S32205 užtikrina puikų našumo-ir-svorio santykį ir mažesnes gyvavimo ciklo išlaidas.

Toliau pateiktoje sprendimų matricoje apibendrinami pagrindiniai veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis vieną iš šių dviejų medžiagų konstrukcijos projektavimui:

9 lentelė. Medžiagos atrankos sprendimų matrica

Santrauka