Super Duplex cijevi od nehrđajućeg čelika: stupnjevi, PREN i ograničenja

Što čini Super Duplex od nehrđajućeg čelika

Super duplex nehrđajući čelik je dvofazna legura s omjerom ferita i austenita od otprilike 50:50, legirana s oko 25 posto kroma, 3 do 5 posto molibdena, 6 do 8 posto nikla i 0,20 do 0,32 posto dušika. Glavna oznaka je ekvivalentni broj otpornosti na piting, PREN, izračunat kao krom plus 3,3 puta molibden plus 16 puta dušik. Super duplex stupnjevi imaju PREN 40 i više; standardni duplex 2205 nalazi se na 34 do 36; tip 316L nalazi se na otprilike 24 do 26.

Komercijalni stupnjevi su UNS S32750, nadaleko poznat kao 2507; UNS S32760, koji dodaje bakar i volfram za poboljšanu otpornost u sumpornim i kloridnim medijima; i UNS S32550, niže legirani super dupleks koji se uglavnom koristi za lijevane i kovane komponente pumpi. Sva tri su specificirana za cijevi i cijevi kroz ASTM A789 za cijevi, ASTM A790 za bešavne i zavarene cijevi i ASTM A928 za električne zavarene cijevi napravljene s dodatnim metalom.

Razlog zašto inženjeri plaćaju premiju je kombinacija koju niti jedan austenitni stupanj ne pruža u isto vrijeme: granica razvlačenja otprilike dvostruko veća od one od 316L, visoka otpornost na kloridne udubljenja i pukotine u morskoj vodi i praktična otpornost na kloridno naprezajuće korozijsko pucanje na temperaturama na kojima austenitni stupnjevi kvare. Njegova je slabost jednako specifična: radi se o materijalu s ograničenom temperaturom i materijalu osjetljivom na toplinsku obradu, te kažnjava postupke zavarivanja koji zanemaruju obje činjenice.

Kemija i izračun PREN-a

PREN nije marketinški broj; to je indeks dizajna koji odvaja dupleks od super dupleksa i super dupleks od legura nikla. Budući da dušik doprinosi 16 puta više od svog masenog udjela, razlika od 0,05 posto u dušiku pomiče PREN za gotovo punu točku, zbog čega je kontrola dušika tijekom taljenja i tijekom zavarivanja stvarno pitanje prihvaćanja, a ne metalurška fusnota.

Ugljik se drži na maksimalnih 0,030 posto u super duplex klasama jer se ugljik natječe za krom i potiče osjetljivost austenitne faze. Bakar u rasponu od 0,50 do 1,00 posto u S32760 poboljšava otpornost na sumpornu kiselinu, a volfram u istom rasponu povisuje PREN bez iste kazne za žilavost koju bi donio ekvivalentni dodatak molibdena. Nijedan element nije zamjena za dobivanje dušika i pravilnu toplinsku obradu.

Za kupnju, kemijski sastav koji se mora pojaviti na certifikatu mlina je analiza proizvoda sa svim gore navedenim elementima, a ne certifikat koji jednostavno navodi ocjenu. Cijev može biti unutar UNS raspona sastava, a ipak pasti na testu korozije jer je ravnoteža faza pogrešna, a sam sastav to neće otkriti.

Mehanička svojstva i dopušteni dizajn

ASTM A790 i A789 specificiraju minimalnu granicu razvlačenja od 550 MPa i minimalnu vlačnu čvrstoću od 800 MPa za super dupleks tipove, s produljenjem od najmanje 15 posto u 50 mm, i ograničenjem tvrdoće koji se obično primjenjuje na 32 HRC. Ovo su vrijednosti sobne temperature. Budući da dvostruka mikrostruktura zadržava čvrstoću bolje od austenita na umjerenoj temperaturi, prednost dizajna ne nestaje na radnoj temperaturi, iako iznad oko 250 stupnjeva Celzijusa materijal doseže svoju praktičnu gornju granicu iz drugih razloga.

Visoka granica razvlačenja izravno utječe na debljinu i težinu stijenke. Za cjevovod morske vode projektiran na isti dopušteni udio naprezanja, super dupleks cijev od 550 MPa može podnijeti otprilike dva i pol puta veći tlak od cijevi 316L od 205 MPa za isti promjer i stijenku, ili postići isti tlak na oko 40 posto stijenke. To smanjenje često nadoknađuje veliki dio premije cijene materijala u projektima za desalinizaciju i morske vode, gdje troškovi potpornog čelika, izolacije i ugradnje rastu s težinom.

Udarna žilavost je svojstvo koje najjasnije odvaja ispravno obrađen super dupleks od odbačenog. Budući da je materijal otprilike pola ferit, ima prijelaz iz duktilnog u krhko, a temperatura prijelaza je osjetljiv pokazatelj taloženja intermetalne faze. Charpyjevo ispitivanje na minus 46 stupnjeva Celzijusa obično je potrebno za rad na niskim temperaturama, a prihvatljiva energija trebala bi biti navedena u narudžbenici, a ne ostavljena na standardnom minimumu.

Otpornost na koroziju način po način

Otpornost na udubljenja glavno je svojstvo. U prirodnoj morskoj vodi kritična temperatura pittinga super duplex stupnja leži znatno iznad kritične temperature pittinga od 2205 i daleko iznad one od 316L, zbog čega super duplex cijevi izmjenjivača topline i cjevovod morske vode mogu raditi u kloriranoj morskoj vodi bez kontinuiranog režima doziranja i čišćenja koji zahtijevaju austenitni stupnjevi.

Korozija u pukotinama je realističnija granica, jer stvarna oprema ima brtve, naslage, zavare i potporne kontakte. Napad na pukotine počinje na nižoj temperaturi od udubljenja, a dizajn bi trebao pretpostaviti da pukotina postoji gdje god se nalazi brtva ili naslaga. Lica prirubnice, spojevi cijevi na cijevne ploče i nosači cijevi su mjesta gdje super dupleksne instalacije ne uspijevaju, a ne glatki provrt.

Kloridno naponsko korozijsko pucanje je ono gdje je ekonomski razlog najjači. Austenitni stupnjevi pucaju u kloridnim sredinama iznad otprilike 60 stupnjeva Celzijusa pod vlačnim naprezanjem, a prag se urušava u prisutnosti kisika i koncentriranog klorida. Super duplex je vrlo otporan jer feritna faza prekida širenje pukotine i ostaje otporan na temperaturama na kojima 316L, pa čak i 6-postotni molibden austeniti postaju nepouzdani.

U kiseloj službi položaj je nijansiraniji. Super duplex prihvatljiv je prema NACE MR0175 / ISO 15156, ali standard uvjetuje prihvaćanje parcijalnog tlaka sumporovodika, in situ pH, temperature i, kritično, tvrdoće i odsutnosti hladnog rada iznad dopuštene razine. Hladno oblikovano savijanje ili jako hladno obrađen kraj cijevi može premašiti granicu tvrdoće i biti izvan standarda, iako je certifikat za osnovni metal u potpunosti usklađen.

Temperaturne granice i intermetalne oborine

Super duplex ima donju i gornju granicu temperature, a obje su čvrste granice, a ne smjernice. Gornja granica je određena faznom stabilnošću: između otprilike 600 i 1000 stupnjeva Celzija, intermetalne faze bogate kromom i molibdenom, uglavnom sigma faza, brzo se talože na granicama ferit-austenit. Sigma faza troši krom i molibden iz okolnog metala, uništava žilavost i spušta otpornost na koroziju ispod one 316L. Iznad oko 250 do 300 stupnjeva Celzijusa u neprekidnom radu feritna faza progresivno postaje krta, a režim krtosti od 475 stupnjeva Celzijusa mora se u potpunosti izbjegavati.

To je razlog zašto toplinska obrada nakon oblikovanja ili zavarivanja nije opće žarenje nego specifično žarenje otopinom na 1020 do 1100 stupnjeva Celzijusa nakon čega slijedi brzo hlađenje, obično gašenje vodom ili prisilnim zrakom, dovoljno brzo da spriječi sigma ponovno taloženje tijekom prolaska kroz raspon od 600 do 1000 stupnjeva Celzijusa. Polagano hlađenje kroz taj prozor, ili peć za žarenje koja ne može isporučiti potrebnu brzinu hlađenja, proizvodi cijev koja prolazi test rastezanja i pada test korozije.

Vruće oblikovanje iznad oko 1100 stupnjeva Celzijusa, ili bilo koja proizvodna operacija koja drži čelik u sigma rasponu, zahtijeva naknadno žarenje u punoj otopini. Lokalizirana toplina, kao što je plamen za smanjenje naprezanja ili nekontrolirani popravak zavara, čest je izvor odbačenih kalema, a ispravno je pravilo da se kod super dupleksa nikada ne smanjuje naprezanje u konvencionalnom smislu, jer se raspon temperature za ublažavanje naprezanja preklapa s rasponom oborina.

Zavarivanje, odabir i kvalifikacija punila

Zavarivanjem se postiže ili gubi ravnoteža faza. Metal zavara i zona pod utjecajem topline moraju završiti s otprilike 35 do 55 posto ferita, a ta ravnoteža ovisi o unosu topline, međuprolaznoj temperaturi, sadržaju dušika u zaštitnom plinu i sastavu punila. Preporučena praksa je unos topline u rasponu od oko 0,5 do 1,5 kJ/mm, međuprolazna temperatura ispod oko 150 stupnjeva Celzijusa i zaštitni ili pomoćni plin koji sadrži dušik, obično 2 do 3 posto, kako bi se nadoknadio gubitak dušika iz zavarene kupke.

Dodatni metal je obično prekomjerno legiran u odnosu na osnovni metal, sa sadržajem nikla oko 2 do 4 posto iznad osnovnog kako bi se pospješila reformacija austenita u metalu zavara, te s dovoljno molibdena i dušika za očuvanje PREN-a. Potrošni materijal odgovarajućeg sastava koristi se za neke pozicije, ali kvalifikaciju treba uvijek dokazati testom, a ne pretpostaviti iz potvrde, koristeći stvarnu konfiguraciju spoja i raspon unosa topline koji će se koristiti u proizvodnji.

Predgrijavanje se ne koristi; cilj je suprotan, održavanje zgloba hladnim. Veliki unos topline, široko tkanje i međuprolazne temperature iznad 150 stupnjeva Celzijusa povećavaju rizik od stvaranja sigma i prekomjernog ferita u zoni utjecaja topline. Toplinska obrada nakon zavarivanja ne primjenjuje se na super duplex, a svaki postupak koji ga uključuje treba odbaciti u fazi kvalifikacije postupka.

Kvalifikacija postupka zavarivanja trebala bi uključivati, minimalno, ispitivanja rastezanja i savijanja, Charpyjev utjecaj na metal zavara i zonu utjecaja topline, broj ferita brojanjem točaka prema ASTM E562, ispitivanje korozije u željeznom kloridu i metalografsko ispitivanje korijena zavara na sekundarni austenit i intermetalne faze. Za kiselu uslugu kvalifikacija mora dodatno dokazati usklađenost tvrdoće preko spoja.

Pregled, ispitivanje i prihvaćanje isporučene cijevi

Pozitivna identifikacija materijala gotove cijevi prva je linija obrane, jer je miješanje topline 2205 u super dupleks narudžbu ponavljajući način kvara i ta dva izgledaju identično. Fluorescencija X-zraka dovoljna je za odvajanje 2205 od super duplexa na molibdenu i kemiji koja sadrži dušik, pod uvjetom da je instrument kalibriran za obitelj razreda; optička emisijska spektrometrija ima prednost kada je odluka o prihvaćanju sporna.

ASTM A923 zaslužuje posebnu pozornost jer je to ispitivanje koje detektira način kvara koji ispitivanje na rastezanje ne može vidjeti. Metoda A je metalografsko jetkanje koje otkriva intermetalnu fazu, Metoda B je Charpyjevo ispitivanje udarom s određenom minimalnom energijom, a Metoda C je ispitivanje korozije u željeznom kloridu kojim se mjeri gubitak težine. Narudžbenica treba navesti koja je metoda potrebna i koji se kriteriji prihvaćanja primjenjuju, jer dobavljač koji nudi samo certifikat o rastezljivosti nije pokazao svojstvo koje je najvažnije.

Inspekcija dimenzija treba se odnositi na ASME B36.19M za dimenzioniranje i raspored nehrđajućih cijevi, a klasa tolerancije debljine stijenke treba biti izričito dogovorena. Nehrđajuća cijev često se naručuje s tožom tolerancijom zida od standardne za izmjenjivač topline i rad pod visokim tlakom, a razlika između nominalnog i minimalnog zida vrijedi nekoliko posto troškova materijala.

Prijave i gdje je ocjena pogrešno primijenjena

Najjače primjene su sustavi morske vode: cjevovod za protupožarnu vodu, balastni i kaljužni vodovi, kolektori rashladne vode, visokotlačni vodovi za desalinizaciju i slane vode te podmorski tokovi koji prenose mokre proizvodne tekućine koje sadrže kloride. Apsorberi za odsumporavanje dimnih plinova i njihovi cjevovodi za mulj još su jedno prirodno uklapanje, kao i kemijske procesne linije koje rukuju kloridima s organskim kiselinama i cjevovod tvornice za izbjeljivanje celuloze gdje koegzistiraju uvjeti klorida i oksidacije.

Ocjena je pogrešno primijenjena kada je odabrana isključivo na PREN bez provjere stvarnog načina kvara. Jake reducirajuće kiseline, klorovodična kiselina u bilo kojoj značajnoj koncentraciji i usluga fluorovodične kiseline napast će super dupleks, a tu viši PREN ne pomaže; legure nikla ili nemetalne obloge točan su odgovor. Slično tome, rad na visokoj temperaturi iznad oko 250 stupnjeva Celzijusa, ili bilo koji proces koji kruži metalom kroz sigma raspon, ne bi trebao koristiti super dupleks.

Treća uobičajena pogrešna primjena vezana je za proizvodnju, a ne za metalurgiju. Super duplex ima veću neusklađenost toplinske ekspanzije i nižu toplinsku vodljivost od austenitnog nehrđajućeg čelika, brzo se stvrdnjava i daleko je manje tolerantan na loše uklapanje i pretjerane popravke zavara. Radionica koja ga tretira kao 316L proizvest će kaleme koji padnu na testu korozije, a cijena tog kvara obično premašuje uštedu materijala koja je opravdala ocjenu na prvom mjestu.

FAQ

P: Što tehnički znači super dupleks?
Opisuje dvostruke nehrđajuće čelike s ekvivalentnim brojem otpornosti na piting iznad oko 40, postignutim s otprilike 25 posto kroma, 3 do 5 posto molibdena i 0,20 posto ili više dušika, dajući feritno-austenitnu ravnotežu blizu 50:50 i otprilike dvostruko veću granicu tečenja od 316L.

P: Kako se izračunava PREN i koju bi vrijednost trebala postići super duplex cijev?
PREN je jednak krom plus 3,3 puta molibden plus 16 puta dušik, korištenjem analize proizvoda u masenim postocima. Super dupleksni razredi UNS S32750 i UNS S32760 obično dosežu PREN 40 do 43, u odnosu na 34 do 36 za 2205 dupleks i 24 do 26 za 316L.

P: Koja je maksimalna radna temperatura za super dupleks cijevi?
Kontinuirani rad općenito je ograničen na oko 250 do 300 stupnjeva Celzijusa, jer feritna faza postaje krta iznad tog raspona, a sigma faza se taloži između otprilike 600 i 1000 stupnjeva Celzijusa. Granica niske temperature za žilavost testiranu na udar obično se uzima na minus 46 stupnjeva Celzijusa.

P: Zašto se super duplex mora kaliti vodom nakon žarenja u otopini?
Brzo hlađenje od temperature žarenja od 1020 do 1100 stupnjeva Celzijusa potrebno je za brzi prolaz kroz raspon padalina od 600 do 1000 stupnjeva Celzijusa sigma. Sporo hlađenje proizvodi intermetalnu fazu koja smanjuje žilavost i otpornost na koroziju bez promjene rezultata rastezanja.

P: Može li se super duplex cijev koristiti u kiseloj službi?
Da, unutar granica norme NACE MR0175 / ISO 15156, koja postavlja maksimalnu tvrdoću, parcijalni tlak vodikovog sulfida, pH i temperaturne uvjete. Hladno obrađena područja, zavari i zone pod utjecajem topline moraju se dokazati da su usklađeni, budući da su obično tvrđi od osnovnog metala.

P: Koji testovi dokazuju da je isporučena super duplex cijev ispravna?
Pozitivna identifikacija materijala, analiza proizvoda s izračunom PREN-a, ispitivanje rastezanja i tvrdoće, udar po Charpyju na navedenoj temperaturi, broj ferita prema ASTM E562, detekcija intermetalne faze prema ASTM A923 i test korozije željeznim kloridom prema ASTM G48 Metoda A zajedno pokazuju svojstva koja sama potvrda o rastezljivosti ne može.