Factoren die de bedrijfstemperaturen beperken
Typische toepassingen waarbij duplexmaterialen moeten worden blootgesteld aan hoge temperaturen zijn drukvaten, ventilatorbladen/waaiers of uitlaatgaswassers.De vereisten voor materiaaleigenschappen kunnen variëren van hoge mechanische sterkte tot corrosieweerstand. De chemische samenstelling van de in dit artikel besproken kwaliteiten staat vermeld in Tabel 1.
Spinodale ontbinding
Spinodale ontleding (ook wel ontmenging genoemd of historisch gezien 475 °C-verbrossing) is een soort fasescheiding in de ferritische fase, die plaatsvindt bij temperaturen van ongeveer 475 °C.Het meest uitgesproken effect is een verandering in de microstructuur, waardoor de α´-fase ontstaat, wat resulteert in verbrossing van het materiaal.Dit beperkt op zijn beurt de prestaties van het eindproduct.
Figuur 1 toont het temperatuur-tijdovergangsdiagram (TTT) voor de bestudeerde duplexmaterialen, waarbij de spinodale ontbinding wordt weergegeven in het gebied van 475 °C.Opgemerkt moet worden dat dit TTT-diagram een afname van de taaiheid met 50% weergeeft, gemeten door slagvastheidstesten op Charpy-V-monsters, wat gewoonlijk wordt aanvaard als indicatie voor verbrossing.In sommige toepassingen kan een grotere afname van de taaiheid acceptabel zijn, waardoor de vorm van het TTT-diagram verandert.Daarom hangt de beslissing om een bepaalde maximale OT in te stellen af van wat als een acceptabel niveau van verbrossing wordt beschouwd, dat wil zeggen vermindering van de taaiheid voor het eindproduct.Er moet worden vermeld dat historisch gezien ook TTT-grafieken werden geproduceerd met behulp van een vaste drempel, zoals 27J.
Hogere gelegeerde kwaliteiten
Figuur 1 laat zien dat de toename van legeringselementen van kwaliteit LDX 2101 naar kwaliteit SDX 2507 leidt tot een snellere ontledingssnelheid, terwijl lean duplex een vertraagde start van de ontbinding laat zien.De impact van legeringselementen zoals chroom (Cr) en nikkel (Ni) op spinodale ontleding en verbrossing is aangetoond door eerdere onderzoeken.5–8 Dit effect wordt verder geïllustreerd in figuur 2. Hieruit blijkt dat spinodale ontleding toeneemt als de temperatuur stijgt. wordt verhoogd van 300 naar 350 °C en is sneller voor de hoger gelegeerde SDX 2507 dan voor de minder gelegeerde DX 2205.
Dit inzicht kan van cruciaal belang zijn om klanten te helpen beslissen over de maximale OT die geschikt is voor de door hen geselecteerde kwaliteit en toepassing.
Het bepalen van de maximale temperatuur
Zoals eerder vermeld, kan de maximale OT voor duplexmateriaal worden ingesteld op basis van de aanvaardbare daling van de slagvastheid.Typisch wordt de OT die overeenkomt met een waarde van 50% taaiheidsreductie aangenomen.
OT is afhankelijk van temperatuur en tijd
De helling in de staarten van de curven in het TTT-diagram in figuur 1 laat zien dat spinodale ontbinding niet alleen plaatsvindt bij één drempeltemperatuur en stopt onder dat niveau.Het is eerder een constant proces waarbij duplexmaterialen worden blootgesteld aan bedrijfstemperaturen onder de 475 °C.Het is echter ook duidelijk dat, als gevolg van de lagere diffusiesnelheden, lagere temperaturen ervoor zorgen dat de ontbinding later zal beginnen en veel langzamer zal verlopen.Daarom kan het gebruik van duplexmateriaal bij lagere temperaturen jarenlang of zelfs tientallen jaren geen problemen opleveren.Toch bestaat er momenteel een tendens om een maximale OT in te stellen zonder rekening te houden met de belichtingstijd.De hamvraag is daarom welke temperatuur-tijdcombinatie moet worden gebruikt om te beslissen of het veilig is om een materiaal te gebruiken of niet?Herzman et al.10 vatten dit dilemma mooi samen: “…Het gebruik zal dan beperkt worden tot temperaturen waarbij de kinetiek van het ontmengen zo laag is dat dit niet zal gebeuren tijdens de ontworpen technische levensduur van het product….”.
De impact van lassen
Bij de meeste toepassingen wordt lassen gebruikt om componenten met elkaar te verbinden.Het is algemeen bekend dat de microstructuur en de chemie van de las variëren van die van het basismateriaal 3 .Afhankelijk van het vulmateriaal, de lastechniek en de lasparameters is de microstructuur van lassen meestal anders dan die van bulkmateriaal.De microstructuur is normaal gesproken grover, en dit omvat ook de door hitte beïnvloede zone (HTHAZ) op hoge temperatuur, die de spinodale ontbinding in de lasnaden beïnvloedt.De variatie van de microstructuur tussen bulk en lasnaden is een onderwerp dat hier wordt besproken.
Samenvattende beperkende factoren
De voorgaande paragrafen leiden tot de volgende conclusies:
- Alle duplexmaterialen zijn onderworpen
tot spinodale ontbinding bij temperaturen rond 475 °C. - Afhankelijk van het legeringsgehalte wordt een snellere of langzamere ontledingssnelheid verwacht.Een hoger Cr- en Ni-gehalte bevordert een snellere ontmenging.
- Om de maximale bedrijfstemperatuur in te stellen:
– Er moet rekening worden gehouden met een combinatie van bedrijfstijd en temperatuur.
– Er moet een aanvaardbaar niveau van afname van de taaiheid worden ingesteld, dwz er moet een gewenst niveau van eindtaaiheid worden ingesteld - Wanneer aanvullende microstructurele componenten, zoals lassen, worden geïntroduceerd, wordt de maximale OT bepaald door het zwakste onderdeel.
Mondiale normen
Voor dit project zijn verschillende Europese en Amerikaanse normen beoordeeld.Zij richtten zich op toepassingen in drukvaten en leidingcomponenten.Over het algemeen kan de discrepantie met betrekking tot de aanbevolen maximale OT tussen de beoordeelde normen worden onderverdeeld in een Europees en Amerikaans standpunt.
De Europese materiaalspecificatienormen voor roestvast staal (bijv. EN 10028-7, EN 10217-7) impliceren een maximale OT van 250 °C omdat materiaaleigenschappen alleen tot deze temperatuur worden geleverd.Bovendien geven de Europese ontwerpnormen voor drukvaten en leidingen (respectievelijk EN 13445 en EN 13480) geen verdere informatie over de maximale OT ten opzichte van wat in hun materiaalnormen wordt gegeven.
De Amerikaanse materiaalspecificatie (bijvoorbeeld ASME SA-240 of ASME sectie II-A) bevat daarentegen helemaal geen gegevens over verhoogde temperaturen.Deze gegevens worden in plaats daarvan verstrekt in ASME sectie II-D, 'Eigenschappen', die de algemene constructiecodes voor drukvaten ondersteunt, ASME sectie VIII-1 en VIII-2 (de laatste bieden een meer geavanceerde ontwerproute).In ASME II-D wordt de maximale OT expliciet vermeld als 316 °C voor de meeste duplexlegeringen.
Voor drukleidingtoepassingen worden zowel ontwerpregels als materiaaleigenschappen gegeven in ASME B31.3.In deze code worden mechanische gegevens gegeven voor duplexlegeringen tot 316 °C zonder duidelijke vermelding van de maximale OT.Niettemin kunt u de informatie interpreteren zodat deze voldoet aan wat er in ASME II-D staat, en dus is de maximale OT voor de Amerikaanse normen in de meeste gevallen 316 °C.
Naast de maximale OT-informatie impliceren zowel de Amerikaanse als de Europese normen dat er een risico bestaat op verbrossing bij hogere temperaturen (>250 °C) bij langere blootstellingstijden, waarmee dan in zowel de ontwerp- als de servicefase rekening moet worden gehouden.
Voor lassen doen de meeste normen geen harde uitspraken over de impact van spinodale ontbinding.Sommige normen (bijvoorbeeld ASME VIII-1, Tabel UHA 32-4) geven echter de mogelijkheid aan om specifieke warmtebehandelingen na het lassen uit te voeren.Deze zijn noch vereist noch verboden, maar bij het uitvoeren ervan moeten ze worden uitgevoerd volgens vooraf ingestelde parameters in de norm.
Wat de industrie zegt
Informatie van verschillende andere fabrikanten van duplex roestvrij staal werd beoordeeld om te zien wat zij communiceren over het temperatuurbereik voor hun kwaliteiten.2205 is door ATI beperkt tot 315 °C, maar Acerinox stelt de OT voor dezelfde kwaliteit in op slechts 250 °C.Dit zijn de bovenste en onderste OT-limieten voor klasse 2205, terwijl daartussen andere OT's worden gecommuniceerd door Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) en ArcelorMittal (280 °C).Dit toont de wijdverspreide voorgestelde maximale OT's aan voor slechts één kwaliteit die zeer vergelijkbare eigenschappen zal hebben van fabrikant tot fabrikant.
De achtergrondredenering waarom een fabrikant een bepaalde OT heeft ingesteld, wordt niet altijd onthuld.In de meeste gevallen is dit gebaseerd op één bepaalde standaard.Verschillende standaarden communiceren verschillende OT’s, vandaar de spreiding in waarden.De logische conclusie is dat Amerikaanse bedrijven een hogere waarde hanteren vanwege de uitspraken in de ASME-norm, terwijl Europese bedrijven een lagere waarde hanteren vanwege de EN-norm.
Wat hebben klanten nodig?
Afhankelijk van de uiteindelijke toepassing zijn er verschillende belastingen en blootstellingen van de materialen te verwachten.In dit project was verbrossing als gevolg van spinodale ontbinding van het grootste belang, omdat dit zeer toepasbaar is op drukvaten.
Er zijn echter verschillende toepassingen waarbij duplexkwaliteiten slechts aan middelmatige mechanische belastingen worden blootgesteld, zoals scrubbers11–15.Een ander verzoek had betrekking op ventilatorbladen en waaiers, die worden blootgesteld aan vermoeiingsbelastingen.Uit de literatuur blijkt dat spinodale ontbinding zich anders gedraagt wanneer een vermoeiingsbelasting wordt uitgeoefend15.In dit stadium wordt duidelijk dat de maximale OT van deze toepassingen niet op dezelfde manier kan worden ingesteld als voor drukvaten.
Een andere categorie verzoeken betreft uitsluitend corrosiegerelateerde toepassingen, zoals uitlaatgaswassers voor schepen.In deze gevallen is corrosieweerstand belangrijker dan de OT-beperking onder mechanische belasting.Beide factoren hebben echter invloed op de werking van het eindproduct, waarmee rekening moet worden gehouden bij het aangeven van de maximale OT.Ook hier wijkt deze zaak af van de twee voorgaande zaken.
Over het algemeen is bij het adviseren van een klant over de geschikte maximale OT voor zijn duplexkwaliteit het type toepassing van cruciaal belang bij het bepalen van de waarde.Dit toont verder de complexiteit aan van het instellen van één enkele OT voor een kwaliteit, aangezien de omgeving waarin het materiaal wordt ingezet een aanzienlijke impact heeft op het verbrossingsproces.
Wat is de maximale bedrijfstemperatuur voor duplex?
Zoals vermeld wordt de maximale bedrijfstemperatuur bepaald door de zeer lage kinetiek van spinodale ontbinding.Maar hoe meten we deze temperatuur en wat is ‘lage kinetiek’ precies?Het antwoord op de eerste vraag is eenvoudig.We hebben al aangegeven dat taaiheidsmetingen gewoonlijk worden uitgevoerd om de snelheid en voortgang van de ontbinding te schatten.Dit is vastgelegd in de normen die door de meeste fabrikanten worden gevolgd.
De tweede vraag, over wat wordt bedoeld met lage kinetiek en de waarde waarop we een temperatuurgrens stellen, is complexer.Dit komt gedeeltelijk doordat de randvoorwaarden van de maximale temperatuur worden samengesteld uit zowel de maximale temperatuur (T) zelf als de bedrijfstijd (t) gedurende welke deze temperatuur wordt gehandhaafd.Om deze Tt-combinatie te valideren, kunnen verschillende interpretaties van de “laagste” taaiheid worden gebruikt:
• De ondergrens, die historisch is vastgelegd en kan worden toegepast voor lassen, is 27 Joule (J)
• Binnen normen wordt meestal 40J als limiet gesteld.
• 50% afname van de initiële taaiheid wordt ook vaak toegepast om de ondergrens te bepalen.
Dit betekent dat een uitspraak over de maximale OT gebaseerd moet zijn op minimaal drie overeengekomen aannames:
• Temperatuur-tijdblootstelling van het eindproduct
• De aanvaardbare minimumwaarde van taaiheid
• Laatste toepassingsgebied (alleen chemie, mechanische belasting ja/nee etc.)
Samengevoegde experimentele kennis
Na een uitgebreid onderzoek van experimentele gegevens en standaarden is het mogelijk geweest aanbevelingen op te stellen voor de vier duplexkwaliteiten die worden beoordeeld, zie Tabel 3. Er moet worden erkend dat de meeste gegevens zijn verkregen uit laboratoriumexperimenten die zijn uitgevoerd met temperatuurstappen van 25 °C .
Er moet ook worden opgemerkt dat deze aanbevelingen verwijzen naar ten minste 50% van de taaiheid die bij kamertemperatuur overblijft.Wanneer in de tabel “langere tijdsperiode” wordt aangegeven, is er geen significante afname bij RT gedocumenteerd.Bovendien is de las pas getest bij -40 °C.Ten slotte moet worden opgemerkt dat voor DX 2304 een langere blootstellingstijd wordt verwacht, gezien de hoge taaiheid ervan na 3.000 uur testen.In welke mate de blootstelling kan worden verhoogd, moet echter met verder onderzoek worden geverifieerd.
Er zijn drie belangrijke punten om op te merken:
• De huidige bevindingen geven aan dat als er lasnaden aanwezig zijn, de OT met ongeveer 25 °C afneemt.
• Kortetermijnpieken (tientallen uren bij T=375 °C) zijn acceptabel voor DX 2205. Omdat DX 2304 en LDX 2101 lager gelegeerde kwaliteiten zijn, zouden vergelijkbare kortetermijntemperatuurpieken ook acceptabel moeten zijn.
• Wanneer het materiaal bros wordt als gevolg van ontleding, helpt een warmtebehandeling bij 550 – 600 °C voor DX 2205 en 500 °C voor SDX 2507 gedurende 1 uur om de taaiheid met 70% te herstellen.
Posttijd: 04-feb-2023