Dvipusio nerūdijančio plieno tvirtumas žemoje temperatūroje

Dvipusis nerūdijantis plienasderinkite austenito atsparumą korozijai ir ferito stiprumą maždaug 50/50 mikrostruktūroje, -suteikdami jiems maždaug dvigubai didesnį takumo ribą nei įprastų austenito rūšių, tokių kaip 304L ir 316L. Tačiau jėga yra tik dalis istorijos.

Kriogeninėse paslaugose, SGD perdirbime, atviroje jūroje esančiose platformose ir Arkties energetikos projektuose medžiagos gebėjimas sugerti energiją nesulaužant -jos kietumo- yra vienodai svarbus.

Šiame straipsnyje atsakoma į klausimus, kuriuos inžinieriai, specifikuotojai ir pirkimų komandos dažniausiai užduoda apie dvipusio nerūdijančio plieno tvirtumą: kaip dvipusis SS veikia žemoje temperatūroje? Kokie Charpy smūgio bandymo reikalavimai taikomi? Kurie pažymiai tinka minus{0}}paslaugoms? O ką byloja įrodymai apie realų SGD, atviroje jūroje ir kriogeninių įrenginių atsparumą{1}}?

Pagrindinis aspektas: dvipusis nerūdijantis plienas išlaiko puikų kietumą iki –50 laipsnių (standartiniam dvipusiui) ir –80 laipsnių (super dupleksui) temperatūrai, o Charpy V{2}}įpjovos smūgio vertės 50–100 J esant –40 laipsnių -daug viršija 27 J minimumą, kurio reikalauja ASTM A240/A7900/A. Dėl šios priežasties dvipusis SS yra techniškai pranašesnė ir ekonomiška alternatyva 316 l, naudojant žemoje-nulinėje zonoje ir jūroje, o dėl didesnio stiprumo reikia 40–60 % mažiau medžiagų.

Kas yra Charpy smūgio testas ir kodėl jis reikalingas dvipusiam nerūdijančiam plienui?

Atliekant Charpy V{0}}įpjovos smūgio bandymą, matuojamas energijos kiekis (džauliais), kurį standartizuotas bandinys sugeria, kai jį sulaužo siūbuojanti švytuoklė esant nurodytai temperatūrai. Didesnė Charpy vertė reiškia, kad medžiaga yra kietesnė-labiau gali sugerti energiją neskildama. Dvipusio nerūdijančio plieno atveju Charpy bandymas neprivalomas: jį įpareigoja ASTM A240/A790, EN 10088 ir ASME kodekso VIII skyrius, kad būtų patikrinta, ar ferito -austenito mikrostruktūra užtikrina tinkamą atsparumą slėgiui{8}}.

Bandomasis pavyzdys yra stačiakampis strypas (55 mm × 10 mm × 10 mm), kurio centre yra 2 mm -gylio V- formos įpjova. Mėginys dedamas į Charpy bandymo aparatą, palaikomas norimoje temperatūroje (kambario temperatūra, 0 laipsnių, –20 laipsnių arba –40 laipsnių) ir smogiamas siūbuojančia švytuokle. Aparatas matuoja energiją, sugertą bandiniui sulaužyti, išreikštą džauliais (J) arba pėdos{11}}svarais (ft·lbf).

Kodėl „Charpy“ bandymas reikalingas specialiai dvipusiam nerūdijančiam plienui?

Dvipusis nerūdijantis plienas reikalauja Charpy bandymo, nes jų dviejų -fazių (feritas + austenitas) mikrostruktūra yra jautri netinkamam terminiam apdorojimui, kuris gali sukelti trapumą aukštoje temperatūroje (475 laipsnių trapumas, sigmos fazė) arba pabloginti kietumą esant minusinei temperatūrai. Charpy testavimas yra kokybės kontrolės įrankis, kuris patikrina, ar mikrostruktūra yra teisinga ir medžiaga yra saugi naudoti.

Pagrindinė rizika, kurią Charpy bandymai nustato dvipusiame nerūdijančiame pliene:

✔ Fazių disbalansas: jei ferito/austenito santykis nukrypsta nuo ~50/50 (pvz., 70/30 arba 80/20), kietumas smarkiai sumažėja. Charpy testavimas tai greitai nustato.

✔ 475 laipsnių trapumas: ilgai veikiant 300–500 laipsnių temperatūroje, ferito fazėje susidaro daug Cr- nuosėdų, o tai smarkiai sumažina kietumą. Šarpio testai kambario temperatūroje ir žemesnėje{5}}nulio temperatūroje tai nustato.

✔ Sigma fazės trapumas: pailgėjęs laikas 600–800 laipsnių kampu sudaro kietą, trapią intermetalinę sigmos fazę. Vienu Charpy testu galima aptikti sigma{3}}fazinį trapumą dėl netinkamo terminio apdorojimo partijos.

✔ Suvirinimo{0}}kaitrumo paveiktos zonos (HAZ) atsparumas: dvipusio SS suvirinimo siūlė HAZ yra silpniausia pagamintos konstrukcijos zona. Smūgio bandymas HAZ (naudojant šoninius-įpjovos pavyzdžius arba atskirą suvirinimo siūlės modeliavimą) yra privalomas kritinėms reikmėms.

✔ Žemos{0}}temperatūros paslaugos tikrinimas: naudojant kriogeninius ir atviroje jūroje naudojamus įrenginius, Charpy bandymas esant –40 laipsnių ar žemesnei temperatūrai patvirtina, kad austenito fazė išlaiko savo FCC plastiškumą projektinėje temperatūroje.

Charpy ir kiti tvirtumo testai: kas reikalingas dvipusiam SS?

Kodėl dvipusis nerūdijantis plienas išlaiko tvirtumą žemoje temperatūroje

Dvipusis nerūdijantis plienas išlaiko puikų kietumą žemoje temperatūroje, nes jo austenito fazė (FCC kristalų struktūra) išlieka plastiška ir atspari smūgiams{0}} net esant –40 laipsnių, o ferito fazė (BCC struktūra) suteikia tvirtumo. Austenitas veikia kaip plyšio -sustabdymo fazė, užgniaužia plintančius įtrūkimus ir paskirsto smūgio energiją per dvi-fazių mikrostruktūras. Štai kodėl standartinis dvipusis (2205) yra patvirtintas naudoti iki –50 laipsnių, o super dupleksas (2507, 32760) – iki –80 laipsnių, nereikalaujant kriogeninių{11}lydinių.

Norėdami suprasti, kodėl dvipusis SS yra toks kietas žemoje temperatūroje, turime suprasti, kas nutinka metalams, kai jie atšąla:

✔ BCC metalai (feritas, feritinis SS, anglinis plienas): esant žemai temperatūrai, BCC metalai pereina į trapusį -į-trapumą (DBTT)-, žemesnėje nei kritinėje temperatūroje jie spragteli mažai perspėdami. Anglies plienas gali katastrofiškai sugesti žemiau –20 laipsnių. Net feritinis nerūdijantis plienas, pvz., 430, rodo DBTT.

✔ FCC metalai (austenitas, aliuminis, varis): FCC metalai NETURI DBTT. Jų atominės plokštumos gali slysti bet kuria kryptimi, todėl išlieka plastiškos net esant skysto azoto temperatūrai (–196 laipsniai). Štai kodėl 304L ir 316L naudojami kriogeninėje tarnyboje iki –269 laipsnių.

✔ Dvipusis SS (dvi{0}}fazės): austenito fazė neleidžia trapiems lūžiams plisti per ferito matricą. Net kai ferito fazė šiek tiek sutrupėja, austenito salos sugeria smūgio energiją ir sustabdo įtrūkimų atsiradimą. Plyšys turi nuolat judėti aplink austenito salas, išsklaidydamas energiją ir padidindamas efektyvų kietumą.

Kas nutinka dvipusio SS atsparumui žemiau –40 laipsnių?

Išvada: standartinis dvipusis nerūdijantis plienas (2205, UNS S31803/S32205) išlaiko tinkamą kietumą iki maždaug –50 laipsnių, bet pradeda rodyti sumažintas smūgio vertes žemiau –40 laipsnių. Eksploatuojant žemesnėje nei –50 laipsnių temperatūroje, rekomenduojamos itin dvipusės klasės (2507, 32750, 32760), kuriose yra didesnis Ni ir N kiekis. Eksploatuojant žemiau –80 laipsnių (SGD vamzdyje, kriogeninėse talpyklose), paprastai nurodomos austenitinės klasės, pvz., 304L arba 316L, nors kai kurie SGD operatoriai naudoja superdupleksą dėl didesnio stiprumo{16}}svorio santykio.

Pastaba: reikšmės atspindi išilginę bandymo kryptį (L-T orientacija). Skersinės (T-L) vertės paprastai yra 30–50 % mažesnės. Visada naudokite orientaciją, atitinkančią jūsų dizaino pakrovimo kryptį.

Taikomi standartai: Charpy smūgio reikalavimai dvipusiam nerūdijančiam plienui

ASTM A240 (plokštė / lakštas) ir ASTM A790 (vamzdis) reikalauja mažiausiai 54 J (40 ft·lbf) standartinėms dvipusėms klasėms tirpalo atkaitinimo sąlygomis. „Super duplex“ klasėms (S32750, S32760) paprastai reikia mažiausiai 45–50 J. Tai yra minimalios KAMBARIŲ TEMPERATŪROS{10}}temperatūros vertės, kai teikiamos minusinės paslaugos. Specifikuotojas turi nustatyti bandymo temperatūrą ir mažiausią vertę, remdamasis projektavimo kodu ir aptarnavimo sąlygomis.

Kokie papildomi reikalavimai taikomi jūroje ir kriogeninėms reikmėms?

Atviroje jūroje ir{0}}žemiau nulio taikomoms programoms taikomi reikalavimai, viršijantys standartinius ASTM minimumus. API 17J, NORSOK ir ISO 15156 nurodo papildomus Charpy bandymus projektinėje temperatūroje (–20 laipsnių, –40 laipsnių ar žemesnėje), kurių minimalios vertės yra 45–50 J, ir HAZ smūgio bandymą, kad patikrintų suvirinimo zonos atsparumą.

Dvipusio nerūdijančio plieno Charpy reikalavimai pagal aptarnavimo temperatūrą

SGD paslaugoms (projektinė temperatūra –162 laipsniai) standartinis dupleksas 2205 NEREKOMENDUOJAMAS pirminiam slėgiui izoliuoti, nes jo ferito fazėje vyksta trapus perėjimas nuo –60 laipsnių iki –80 laipsnių. Austenitinis 304L arba 316L yra nurodytas SGD bako vidiniams korpusams. TAČIAU, super duplex 2507 ir 32760 yra naudojami SGD povandeniniuose dujotiekiuose ir atviroje jūroje esančiose platformose, kur projektinė temperatūra yra iki –80 laipsnių, su sąlyga, kad Charpy bandymai patvirtina tinkamą atsparumą –80 laipsnių.

SGD naudojimo atsparumo reikalavimai:

✔ SGD bako vidinis apvalkalas (pirminis barjeras): AISI 304L (UNS S30403) arba 304/316 austenitinis nerūdijantis. Mažiausias Charpy 27 J esant –162 laipsniams. Pirminiam barjerui neleidžiama naudoti dvipusio SS.

✔ SGD rezervuaro išorinis korpusas ir žiedinė erdvė: Super duplex 2507 arba 32760 vis dažniau naudojamas išorinėms rezervuaro atraminėms konstrukcijoms ir vamzdynams, atliekant Charpy bandymą esant –80 laipsnių mažiausiai 45 J.

✔ SGD išdujinimo terminalo povandeninės srauto linijos: Super duplex 2507 (S32750) su PREN didesnis nei 40, Charpy 45 J esant –20 laipsnių, API 17J sertifikuota.

✔ Arkties SGD: Jamalo SGD ir panašiems projektams buvo nurodytos specialios dvipusės klasės su Charpy bandymu –60 laipsnių temperatūroje ir CTOD atsparumo plyšiams reikalavimai.

Kokie yra Charpy reikalavimai dvipusiam SS atviroje jūroje veikiančiose platformose?

Šiaurės jūroje, Meksikos įlankoje ir Pietų Kinijos jūroje esančiose platformose paprastai naudojamas dvipusis nerūdijantis plienas, skirtas technologiniams vamzdynams, fasadinėms strėlėms ir povandeniniams komponentams, kurių Charpy reikalavimai yra 45–50 J esant –20 laipsnių arba –40 laipsnių, atsižvelgiant į projektinę bazinę temperatūrą ir taikomus NORSOK arba API reikalavimus.

Kokie yra Charpy reikalavimai dvipusiams SS arkties ir šalto klimato vamzdynuose?

Arkties vamzdynams Kanadoje, Rusijoje ir Aliaskoje, veikiantiems nuo –40 iki –45 laipsnių temperatūroje, reikalingas dvipusis nerūdijantis plienas, kurio Charpy smūgio vertės projektinėje temperatūroje yra 50–60 J, ir papildomas atsparumo plyšiams bandymas (CTOD ir (arba) DWTT). Kanados CSA Z662 ir Rusijos GOST standartai nustato kietumo reikalavimus, kurie viršija standartinius API ir ASME reikalavimus vidutinio klimato sąlygomis.

✔ Arkties naftotiekiai (nuo -40 laipsnių iki -45 laipsnių): Super duplex 2507 arba liesas duplex 2101 su Charpy 50 J min prie -40 laipsnių; DWTT reikalingas vamzdynui (šlyties plotas > 85 % esant –40 laipsnių).

✔ Arkties dujotiekiai (–40 laipsnių): panašūs reikalavimai plius CTOD Didesnis arba lygus 0,25 mm esant –40 laipsnių vamzdžių suvirinimo siūlėms.

Kaip terminis apdorojimas ir suvirinimas įtakoja dvipusio nerūdijančio plieno Charpy kietumą

Netinkamas terminis apdorojimas sukelia tris skirtingus dvipusio nerūdijančio plieno trapumo mechanizmus, kurie visi aptinkami Charpy testu: (1) 475 laipsnių trapumas (greitas kietumo praradimas po 100–1000 valandų esant 300–500 laipsnių temperatūrai), (2) sigma fazės trapumas (po ilgo poveikio 0 laipsniai 0) (0 laipsniai 0). trapumas (ilgalaikis -ferito skilimas 300–400 laipsnių kampu). Visi trys gali sumažinti Charpy smūgio vertes nuo 80–120 J iki mažiau nei 20 J-tai katastrofiškas kietumo praradimas.

Kokie yra „Charpy“ reikalavimai dvipusio SS suvirinimo{0}}šilumos paveiktoms zonoms (HAZ)?

Dvipusio nerūdijančio plieno suvirinimo HAZ yra silpniausia pagamintos konstrukcijos sritis, nes suvirinimo terminis ciklas sukelia vietinį fazių disbalansą (per didelį ferito arba austenito išeikvojimą), grūdelių grubumą ir galimus kritulius. Kritinėms reikmėms reikalingas Charpy bandymas HAZ projektinėje temperatūroje, o minimalios vertės paprastai sudaro 70–85 % netauriųjų metalų poreikio.

✔ Netaurieji metalai Charpy: 54 J kambario temperatūroje (ASTM A240/A790 minimumas).

✔ HAZ Charpy: mažiausiai 40 J kambario temperatūroje daugumai kodų; Mažiausia 45 J esant projektinei temperatūrai, skirta naudoti atviroje jūroje ir Arktyje.

✔ Suvirinimo metalas Charpy: nusodintas suvirinimo metalas (paprastai atitinkantis užpildą arba kombinezoninį užpildą) taip pat turi atitikti Charpy reikalavimus. ER2594 (AWS A5.9) suvirinimo užpildas kambario temperatūroje paprastai pasiekia 50–80 J.

✔ Po{0}}suvirinimo terminis apdorojimas (PWHT): dvipusis SS NETURI būti PWHT 300–800 laipsnių diapazone dėl trapumo rizikos. Atkaitinimas tirpalu po suvirinimo yra vienintelis priimtinas PWHT būdas.

Dvipusis ir austenitinis nerūdijantis plienas: žemos temperatūros{1}}tvirtumo palyginimas

Rinkitės dvipusį nerūdijantį plieną, kai naudojamas žemiau{0}}nulis, kai: (1) svarbus stiprumas (duplekso takumo riba yra 2x 316 l, o tai reiškia 40–60 % mažiau medžiagos), (2) projektinė temperatūra yra didesnė arba lygi –50 laipsnių standartiniam dupleksui arba didesnė arba lygi –80 laipsnių super dupleksui ir (3) įtempių korozijos chloridas (}C{1) rizika (dupleksas yra atsparesnis). Pasirinkite austenitinį 304L/316L, skirtą SGD vidinėms talpykloms, kriogeninėms saugykloms ir žemesnėms nei –80 laipsnių temperatūrai, kai sumažėja dvipusis atsparumas. „Duplex 2205“ yra techniškai pranašesnis ir ekonomiškesnis nei 316 l.

Dažnai užduodami klausimai

ASTM A240 ir ASTM A790 reikalauja mažiausiai 54 J (40 ft·lbf) Charpy V-įpjovos smūgio energijos dvipusiam nerūdijančiam plienui (S31803/S32205/S32750/S32760), kai tirpalas atkaitintas -kambario temperatūroje (2±5 TEMPERATURE). Tačiau tai tik minimalus sertifikavimo reikalavimas{13}}tai nereiškia, kad medžiaga yra tinkama jūsų konkrečiai eksploatavimo temperatūrai. Jei naudojate mažiau-nulį (jūros platformas, Arkties vamzdynus, kriogeninius vamzdynus), turite nurodyti Charpy testavimą PROJEKTAVIMO TEMPERATŪRĖJE, kurios minimalios vertės yra 45–50 J pagal taikomus projekto kodus (NORSOK, API, CSA, ISO). Dvipusė plokštė su 54 J kambario temperatūroje gali rodyti tik 30–40 J esant –40 laipsnių, o tai neatitinka jūrinio projekto reikalavimų.

Ar dvipusis nerūdijantis plienas 2205 gali būti naudojamas SGD paslaugoms esant –162 laipsnių?

Standartinis dupleksas 2205 NErekomenduojamas pirminiam SGD izoliavimui esant –162 laipsnių. SGD talpyklų vidiniam rezervuaro korpusui naudojamas austenitinis 304 l arba 316 l, nes: (1) ferito fazė duplekso 2205 yra plastiška -į- trapi, esant maždaug nuo –60 laipsnių iki –80 laipsnių, todėl Charpy vertės smarkiai sumažėja; (2) ASTM A240 nesertifikuoja 2205 kriogeniniam aptarnavimui žemiau –50 laipsnių. TAČIAU, super duplekso klasės (2507, 32760), kurių sertifikuotos Charpy vertės –80 laipsnių, yra patvirtintos SGD povandeninėms tėkmės linijoms, išorinėms rezervuarų atramoms ir vamzdžiams už pirminės izoliacijos ribos, kur projektinė temperatūra yra nuo –80 laipsnių iki –100 laipsnių. Pirminiam SGD izoliavimui visada naudokite 304L/304 arba 316L/316 austenitinį nerūdijantį plieną.

Kaip suvirinimo HAZ veikia dvipusio nerūdijančio plieno Charpy smūgio vertes?

Išvada: Dvipusio nerūdijančio plieno suvirinimo HAZ paprastai rodo 20–40 % mažesnes Charpy smūgio vertes nei netauriojo metalo dėl: (1) grūdelių šiurkštėjimo ferito matricoje (sumažėjusio plyšio -sustabdymo), (2) vietinio fazių disbalanso (perteklinio ferito zonos su mažu austenito kiekiu) ir (3 greito trio nusodinimo metu) aušinimas nuo suvirinimo terminio ciklo. Kritiniams atviroje jūroje ir Arkties projektams reikalingas Šarpy bandymas HAZ esant projektinei temperatūrai (paprastai nuo –20 laipsnių iki –40 laipsnių), kai minimalios vertės yra 40–45 J. Geriausia praktika yra naudoti derančius arba legiruotus užpildus metalus (pvz., ER2594 S32750, ER2209 temperatūra žemesnėje S312pas ir S312pas vengiama). PWHT 300–800 laipsnių diapazone. GTAW (TIG) ir SAW siūlės paprastai pasiekia didesnes HAZ Charpy vertes nei SMAW (stick).

Kuo skiriasi Charpy V{0}}įpjovos (CVN) ir CTOD atsparumo lūžiams bandymai, skirti dvipusiam SS?

Charpy V{0}}įpjova (CVN) matuoja bendrą energiją (džauliais), sugertą sulaužant standartizuotą bandinį{1}}. Tai greitas ir nebrangus atrankos testas, standartinis kokybės kontrolės įrankis, kurį įpareigoja ASTM A240/A790. CTOD (įtrūkimo antgalio atidarymo poslinkis) matuoja medžiagos, turinčios tikrą įtrūkimą-panašų į defektą-, atsparumą plyšimui (mm) ir nurodo kritinį plyšio dydį, dėl kurio suges esant tam tikram įtempiui ir temperatūrai. Jūros platformoms, Arkties vamzdynams ir kritiniams slėginiams indams CTOD vis dažniau nurodomas, nes jis leidžia inžinieriams apskaičiuoti didžiausią priimtiną defekto dydį prieš katastrofišką lūžį, o tai neįmanoma naudojant vien Charpy duomenis. Paprastai: naudokite Charpy kokybės kontrolei ir medžiagų sertifikavimui; naudokite CTOD tinkamumui-paslaugoms įvertinti ir kritiniam dizainui atlikti.

Kuo liesas dvipusis nerūdijantis plienas (pvz., 2101, 2002) skiriasi nuo 2205 dėl atsparumo žemai temperatūrai?

Liesos dvipusės klasės (LDX 2101, UNS S32101; 2002, UNS S32003) yra ekonomiškos alternatyvos 2205, turinčios mažesnį Ni kiekį (nuo 5–8 % iki 1,5–5 %) ir dėl to mažesnės sąnaudos. Jų atsparumas žemai temperatūrai priklauso nuo specifinės austenito tūrio dalies (AVF) ir azoto kiekio. LDX 2101 (AVF ~45%, N ~0,22%) rodo Charpy reikšmes 55–70 J esant –20 laipsnių ir 30–50 J esant –40 laipsnių -tinka daugeliui atviroje jūroje ir Arkties taikomųjų programų, bet nėra tokia tvirta kaip 2205 (kuris pasiekiamas esant 60–0%AV0 J). Arkties projektams, kurių projektinė temperatūra žemesnė nei –40 laipsnių, rekomenduojama naudoti 2205 arba super dupleksą, o ne liesą dvipusį. Atviroje jūroje esančioms platformoms nuo –20 laipsnių iki –30 laipsnių, liesas dupleksas 2101 yra priimtina ir ekonomiška alternatyva 2205, jei atliekami Charpy bandymai –20 laipsnių ar žemesnėje temperatūroje.

Ar dvipusiam nerūdijančiam plienui reikia atlikti smūginį (Charpy) bandymą esant minus-nulinei temperatūrai ir kaip nustatyti bandymo temperatūrą?

Taip, jei jūsų projektinė temperatūra yra žemesnė nei 0 laipsnių arba jei tai nurodo taikomas kodas (ASME B31.3, VIII-1, NORSOK, API, CSA Z662). Bandymo temperatūra paprastai yra PROJEKTINIO METALO TEMPERATŪRA, kuri yra žemiausia numatoma metalo temperatūra eksploatacijos metu ir bet kokia eksploatacinių pereinamųjų procesų prielaida. Standartinės gairės: (1) Šiaurės jūra/Meksikos įlanka: bandymas esant mažiausiai –20 laipsnių (NORSOK M-001). (2) Arkties vamzdynai: bandymas bent –40 laipsnių temperatūroje (CSA Z662, ISO 3183). (3) SGD pakartotinio dujinimo terminalo vamzdynas: bandymas mažiausiai –40 laipsnių temperatūroje (projekto specifikacija). (4) Bendroji chemijos gamykla vidutinio klimato sąlygomis: kambario temperatūros Charpy pagal ASTM A240 pakanka, nebent proceso skysčio temperatūra nukrenta žemiau 0 laipsnių. Jei kyla abejonių, išbandykite esant minimaliai projektinei metalo temperatūrai, bent 10 laipsnių žemesnei už žemiausią numatomą darbinę temperatūrą.