304H vs 321H: süsinikusisaldus ja libisemistugevus kõrgel temperatuuril{2}}surveanumatele

Sissejuhatus

Kõrgtemperatuuriliste -teenindus-rafineerimistehaste kütteseadmete, boilerite ülekuumendite, katalüütiliste krakkide ja soojusvahetite jaoks-surveanumaid kavandades seisavad insenerid korduvalt silmitsi ühe küsimusega: kas nad peaksid määrama 304H või 321H? Mõlemad onausteniitsetest roostevabast terasestmillel on "H" järelliide, mis tähistab kontrollitud kõrgendatud süsinikusisaldust, et parandada roomamist. Kuid need erinevad stabiliseerimisstrateegia, keevitatavuse ja pikaajalise{1}}kindluse poolest. See võrdlus jagab lihtsas keeles süsinikusisalduse, roomamistugevuse ja valikukriteeriumid, et täpsustajad saaksid teha enesekindlaid ja koodidele vastavaid otsuseid.

Mis on 304H ja 321H roostevaba teras?

304H ja 321H on mõlemad austeniitsed kroom-nikkelroostevabad terased, mis kuuluvad 18Cr-8Ni perekonda; "H" järelliide näitab kontrollitud süsinikuvahemikku (0,04–0,10%), mis on optimeeritud kõrgel temperatuuril töötamiseks. 321H sisaldab lisaks titaani karbiidi stabiliseerimiseks.

Mõlemal klassil on sama 17,0–19,0% kroomi ja 9,0–13,0% nikli baasil põhinev keemia. Erinevus seisneb selles, kuidas igaüks käsitleb süsinikku kõrgel temperatuuril:

304H (UNS S30409) on standardi 304 kõrge -süsinikusisaldusega variant. Selle kontrollitud süsinikusisaldus (0,04–0,10%) tugevdab sulamit kõrgel temperatuuril, suurendades austeniitmaatriksis lahustunud süsiniku lahust{6}}.

321H (UNS S32109) on 321 suure -süsinikuga variant, mis on sisuliselt 304 keemia pluss titaan. Titaan seondub eelistatult süsinikuga, moodustades stabiilsed titaankarbiidid (TiC), vältides kroomkarbiidi sadenemist terade piiridel.

Mõlemad sulamid kuuluvad ASTM A240/A240M (plaat, leht, riba), ASTM A312 (õmblusteta ja keevitatud toru) ning ASME katla ja surveanuma koodi (BPVC) II jaotise alla.

Nende ühised Cr- ja Ni-vahemikud muudavad need korrosioonikindluse osas laias laastus omavahel asendatavad mitte-keevitatud, stabiliseeritud või -lahusjärgselt{2}}lõõmutatud tingimustes.

Kuidas erineb süsinikusisaldus 304H ja 321H vahel?

Süsiniku vahemikud on nominaalselt identsed -0,04% kuni 0,10% mõlema puhul, kuid 321H titaan "lukustab" süsiniku TiC-na, seega on roome tugevdamiseks saadaolev efektiivne vaba süsinik 321H puhul madalam kui 304H puhul.

ASTM A240 järgi vajavad nii 304H kui ka 321H süsinikku 0,04–0,10%. Alumine piir tagab minimaalse libisemist{6}}tugevdava efekti; ülemine piir hoiab ära liigse karbiidvõrgu moodustumise, mis muudab maatriksi hapraks. See süsiniku käitumine on aga erinev:

304H-s jääb suurem osa süsinikust pärast lahusega lõõmutamist austeniidis lahustuma, aidates otseselt kaasa tahke -lahuse tugevnemisele ja karbiidisademetele, mis fikseerivad töö ajal terade piire.

321H-s reageerib titaan (minimaalselt 5 × C, tavaliselt 0,15–0,70%) süsinikuga, moodustades stabiilse TiC. See vähendab kroomkarbiidi (Cr₂3C6) sadestamiseks saadaolevat süsinikku ja vähendab ka otseseks maatriksi tugevdamiseks saadaolevat süsinikku.

Praktiline tagajärg: 304H tagab üldiselt veidi kõrgema lühiajalise-aja kõrgendatud-temperatuuri voolavuspiiri, kuna tahkesse lahusesse jääb rohkem süsinikku, samas kui 321H ohverdab osa sellest tugevnemisest vastutasuks sensibiliseerimiskindluse eest.

Kuidas mõjutab süsinik kõrgel temperatuuril roomamistugevust?

Austeniitses roostevabas terases sisalduv süsinik suurendab roometugevust kahe mehhanismi kaudu -tahke-maatriksi lahustugevdamine ja tera -piirde kinnitamine karbiidide abil- ning mõlemad efektid intensiivistuvad, kui süsinik liigub 0,04%lt 0,10%ni.

Rooma on aeglane, ajast{0}}sõltuv deformatsioon, mis tekib siis, kui metalli hoitakse kõrgel temperatuuril pinge all. Süsinikuvõitlus hiilib kahel rindel:

Lahenduse{0}}tugevdamine. Lahustunud süsinik moonutab austeniidi võre, takistades dislokatsioonitõusu-domineerivat roomamismehhanismi üle 0,5 Tₘ (sulamistemperatuur kelvinites). 18Cr-8Ni austeniidi puhul seab 600–800-kraadine töötemperatuur sulami täpselt sellesse režiimi.

Tera-piirde karbiidi kinnitamine. M₂₃C6 (enamasti Cr23C6) sadestub kasutuse ajal terade piiridele. Kontrollitud dispersioon kinnitab terade piire, aeglustab libisemist ja pikendab purunemisiga. Liiga palju karbiidi moodustab aga pideva tera-piirdekile, mis lõhustab sulamit ja kahandab külgnevat kroomi.

Stressi{0}}rebenemise andmed (ASME II jaotis, tabel 1A) kinnitavad tasuvust. 700 kraadi ja 100 000 tunni juures ületavad 304H plaadi (ASTM A240) lubatud pingeväärtused tavaliselt 321H plaadi omasid ligikaudu 5–15%, olenevalt toote vormist ja täpsest süsiniku/titaani tasakaalust. See on 304H suurema vaba süsiniku otsene, mõõdetav tulemus.

Millist rolli mängib titaan 321H-s?

321H-s sisalduv titaan toimib süsiniku püüdjana, moodustades stabiilse TiC, mis hoiab ära Cr₂3C₆ sadestumise, kaitstes seeläbi tera -piirdekroomi ja kõrvaldades pärast keevitamist kuumuse{2}}mõjutatud tsoonis (HAZ).

Stabiliseerimissuhe on määratletud kui Ti, mis on suurem või võrdne 5 × C (ASTM A240). Kui süsinikusisaldus on 0,06% (keskmine -vahemik), on minimaalne nõutav titaan 0,30% ja tüüpiliste spetsifikatsioonide eesmärk on stabiliseerimisreservi tagamiseks 0,30–0,60%.

TiC on termodünaamiliselt stabiilsem kui Cr23C6. See moodustub lahusega lõõmutamise ajal (1050–1100 kraadi) ja püsib töötamise ajal, nii et kroomkarbiid ei saa moodustada 450–850 kraadise sensibiliseerimisakna juures, millega sulam kokku puutub töö ajal või HAZ-is.

See on põhjus, miks 321H ei nõua teradevahelise korrosioonikindluse taastamiseks-keevisõmbluse järgset lõõmutamist,-see on eelis väli-ehitatud anumate ja suure-läbimõõduga torustike puhul, kus ahju lõõmutamine on ebapraktiline.

Kompromiss-: titaan seob ka süsinikku, mis muidu aitaks kaasa roomamise tugevdamisele, ja titaannitriidi/karbonitriidi lisandid võivad toatemperatuuril vähendada sälkude tugevust.

Millisel terasel on parem roometugevus: 304H või 321H?

304H-l on mõõdetavalt suurem roome-rebenemistugevus kui 321H-l 600 kraadi ja kõrgemal mitteväärismetallis, kuna rohkem selle süsinikku jääb kättesaadavaks tahke -lahuse tugevdamiseks ja terade-piirde kinnitamiseks; aga 321H säilitab oma tugevuse paremini keevisõmbluses HAZ, kus 304H võib kaotada süsiniku{8}}tugevuse tänu sensibiliseerimisele.

Võrdlus jaguneb kaheks režiimiks-väärismetallist ja keevisõmblusest HAZ-ja need eelistavad erinevaid sorte:

Põhimetalli-libisemine-rebenemine. ASME Code Case ja jaotise II lubatud pingetabelid annavad 304H järjekindlalt võrdse või suurema lubatud pinge kui 321H vahemikus 538 kraadi (1000 kraadi F) kuni 816 kraadini (1500 kraadi F). 704 kraadi (1300 kraadi F) ja 100 000 tunni juures on 304H plaadi lubatud pinge tavaliselt 10–12% suurem kui 321H plaadil.

Keevis{0}}HAZ-i käitumine. 304H ajal kogeb HAZ keevitamise ajal karbiidi lahustumist ja jahtumise ajal uuesti{3}sademist. Kui jahutamine on aeglane (paksud lõigud), moodustub sensibiliseeritud tsoon, mis on lokaalselt kahanenud kroomiga ja nõrgenenud roomamise tõttu. 321H-s moodustab titaan eelistatavalt TiC{7}}, säilitades terapiiride terviklikkuse ja HAZ-i roometugevuse.

Praktiline lahendus: õmblusteta, õhukeste{0}}seinakomponentide (torud, õhuke toru) puhul võidab tavaliselt 304H suurem alus-metallist roometugevus. Paksu-seinaga, keevitatud või väli-valmistatud surveanumate puhul võidab 321H keevisõmbluse-HAZ stabiilsus sageli elutsükli-argumendi.

Kuidas neid sensibiliseerimise ja teradevahelise korrosioonikindluse osas võrrelda?

321H on sensibiliseerimisele ja teradevahelisele korrosioonile (IGC) palju vastupidavam kui 304H, kuna titaani stabiliseerimine takistab kroomi-kahanemise mehhanismi, mis juhib 304H sensibiliseerimist 425–900 kraadi ulatuses.

Sensibiliseerimine on korrosioonikindluse kadu, mis on põhjustatud kroomkarbiidi sadenemisest terade piiridel. Need kaks klassi käsitlevad seda väga erinevalt:

Sensibiliseerimise mehhanism. Kui 304H aeglasel-jahutamisel 425–900 kraadini, sadestub Cr₂3C₆ terade piiridele. Kõrval asuv kroom langeb alla 10,5% passivatsiooniläve, muutes need tsoonid haavatavaks IGC suhtes happelises või kloriidi kandvas keskkonnas.

321H immuunsus. TiC moodustub kõrgemal temperatuuril ja on stabiilsem kui Cr23C6, nii et kroomkarbiidid ei saa moodustuda ja terade piirid säilitavad täieliku kroomisisalduse. Sulam läbib ASTM A262 Practice A/E testid isegi pärast sensibiliseerivat kuumtöötlust.

Teenuse asjakohasus. Rafineerimistehaste hapukas teeninduses on polütioonhappe (PTA) pragunemine seiskamiste ajal sensibiliseeritud 304H tunnustatud rikkerežiim. NACE SP0170 soovitab selgesõnaliselt stabiliseeritud klassisid (321H, 347H) üle 304H seadmete jaoks, mis võivad PTA praguneda.

Huey test (ASTM A262 praktika C). 304H nõuab üldiselt pärast keevitamist lahusega lõõmutamist, et see läbiks; 321H läbib -keevitatud olekus.

Mis on ASME ja ASTM standardid 304H ja 321H jaoks?

Mõlemat sulamit reguleerivad sisuliselt samad ASTM-i materjalispetsifikatsioonid ja ASME BPVC II jaotise lubatud -pingetabelid, kuid konkreetne UNS-i tähistus, stabiliseerimisnõue ja toote{1}}vormi ulatus on erinevad.

Allolev tabel võtab kokku iga palgaastme jaoks kehtivad standardid ja põhinõuded.

ASME lubatud -stressibaas (II jaotis, lisa 1) mõlema klassi jaoks on madalam järgmistest: (1) kaks-0,2% saagist temperatuuril, (2) 100% keskmisest pingest, et tekitada 1% roome 100 000 tunni jooksul või (3) 67% keskmisest pingest 0 kuni 0 tundi. Temperatuuridel, mis on üle ligikaudu 538 kraadi, domineerib roome{16}}rebenemise kriteerium-, nii et 304H suurem roometugevus väljendub otseselt mitteväärismetalli suuremas lubatud pinges.

Kuidas erinevad keevitamise kaalutlused?

321H on paksude sektsioonide ja välitööde puhul lihtsam keevitada, kuna see talub tundlikkust ilma keevitusjärgse kuumtöötluseta (PWHT), samas kui 304H võib nõuda korrosioonikindluse taastamiseks pärast keevitamist lahusega lõõmutamist; 321H vajab ka spetsiaalset täiteainet.

Kõrge süsinikusisaldusega{0}}austeniitse roostevaba terase keevitamisel on need kaks klassi kõige järsemalt erinevad:

Täitemetall. 304H keevitatakse tavaliselt ER308H täiteainega, mis vastab põhimetalli süsinikuvahemikule. 321H on keevitatud ER347 (nioobium-stabiliseeritud) täiteainega, mitte ER321-ga, kuna titaan ei kandu hästi üle kaare; nioobium tagab keevismetalli samaväärse stabiliseerimise.

Sensibiliseerimine pärast keevitamist. 304H HAZ tekitab tundlikkust, kui jahutamine 425–900 kraadini on aeglane (paks sein, suur soojussisend). Leevendus: lahuse lõõmutamine 1050–1100 kraadi juures, millele järgneb kiire kustutamine-ahju kasutamine, mis on suurte surveanumate puhul ebapraktiline. 321H HAZ ei sensibiliseeri, kuna eelistatavalt moodustub TiC re{8}}.

PWHT nõue. ASME VIII jaotis ei nõua PWHT-d kummagi klassi jaoks, kuid teeninduskeskkonnad (hapu, PTA, söövitav) nõuavad seda sageli. 304H puhul on nõutav PWHT täislahusega lõõmutamine; 321H puhul on pinge-leevendamine 850–900 kraadi juures sageli piisav ja väldib täieliku lõõmutamise moonutusohtu.

Kuuma pragunemise oht. Mõlemad klassid on austeniitsed ja keevismetallis on 5–10% ferriiti, nii et kuumpragunemine on tagasihoidlik. 321H titaannitriidi lisandid võivad toimida pragude initsiaatoritena tugevalt piiratud vuukides-, mis nõuavad kontrollitud soojussisendit ja läbipääsudevahelist temperatuuri.

Milline on parem surveanumarakenduste jaoks?

Ei ole universaalset võitjat; 304H on eelistatud õhukese-seinaga kõrge{2}}temperatuuriliste komponentide jaoks, kus alus-metalli libisemistugevus määrab konstruktsiooni (ülekuumendi torud, ahju mähised), samas kui 321H on eelistatud paksuseinalistes, keevitatud või hapukatete-töökindlust reguleerivates-tööstussurveanumates, trumlid, reaktori siseosad, katalüütilise krakkimise regeneraatori kestad).

Õige valik sõltub sellest, milline rikkerežiim tegelikult disaini juhib. Kasutage järgmist otsustusjuhendit:

Valige 304H, kui:

Konstruktsiooni juhib roome{0}}rebenemispinge ja komponent on õmblusteta või sellel on vähe keevisõmblusi (toru, toru, mähis).

Keevislahenduse järgne lõõmutamine- on teostatav (töökodade valmistamine, väikesed anumad).

Teenus on oksüdeeriv, madala-väävlisisaldusega ega puutu kokku polütioonhappega.

Seina minimaalne paksus ja kaal on esmaklassilised disainieesmärgid (suurem lubatud pinge annab õhema seina).

Valige 321H, kui:

Anum on paksu-seinaga, välja-keevitatud või ahjus-lõõmutamiseks liiga suur.

Teenus hõlmab polütioonhappega kokkupuute sulgemist (rafineerimistehas FCC, koksiseade, hüdrotöötlus).

Disain peab kestma tsüklilist temperatuuri ilma sensibiliseerimisest{0}}ajendunud pragudeta.

Kood või{0}}lõppkasutaja spetsifikatsioon (nt NACE SP0170, API RP 939-A) nõuab stabiliseeritud hinnet.

Rusikareegel: alla umbes 538 kraadi on mõlemad klassid üle-määratud-standardse 304/321 või 316L. 538 kraadi ja ligikaudu 750 kraadi vahel on 304H tavaliselt{10}tõhus valik. Üle 750 kraadi kaaluge 800H/HT, 310S või niklisulameid (600/601).

Millised on kulude erinevused?

321H maksab titaani lisamise, väiksema veski tootmismahu ja stabiliseerimissuhte rangemate kvaliteedi{4}}kontrollinõuete tõttu tavaliselt 15–30% rohkem kui 304H kaaluühiku kohta; elutsükli kulude{5}}analüüs eelistab aga sageli 321 tundi, kui kaasatakse PWHT, ülevaatus ja katkestuste risk.

Materjali hind on vaid üks komponent kogu omamiskuludest. Jaotus:

Lisatasu{0}}tooraine. Titaan-kandvad ferrosulamid ja kitsam soojuskeemia aken (Ti peab olema suurem või võrdne 5 × C, kuid mitte nii kõrge, et tekitaks TiN-i lisandeid) tõstavad sulamiskulusid.

Veski saadavus. 304H toodetakse maailmas palju suuremas koguses, seega on teostusaeg ja hind konkurentsivõimelisemad. 321H on eriklass, kus on vähem kvalifitseeritud tootjaid.

Valmistamiskulud. 304H võib nõuda täielikku lahuse lõõmutamist pärast keevitamist-täiendavat ahjutsüklit, transporti ja võimalikke moonutusi ümbertöötlemist. 321H on tavaliselt -keevitatud või pingevaba-, mis vähendab tootmiskulusid.

Elutsükli kulu-. 304H PTA pragunemisest põhjustatud planeerimata rafineerimistehase seisak võib maksta miljoneid päevas. 321H tagasihoidlik materjalitasu taastatakse katkestuste vältimisel sageli mitu korda.

Kuidas valida 304H ja 321H vahel: otsuste kontrollnimekiri

Tehke valik nelja järjestatud sammuna-(1) tuvastage valitsev tõrkerežiim, (2) kontrollige temperatuuri akent, (3) hinnake keevitatavust ja PWHT teostatavust, (4) kinnitage kood ja -lõppkasutaja volitused-, seejärel määrake UNS, toote vorm ja stabiliseerimise või süsiniku testimise nõue.

Struktureeritud lähenemine hoiab ära kõige levinumad spetsifikatsioonivead:

Samm 1 - Tuvastage valitsev tõrkerežiim. Kui roomamis-rebenemine valitseb (õhuke-sein, kõrge-temperatuur), lahja 304H. Kui valitseb IGC/PTA pragunemine (paks -sein, väljalülitamine), vähendage 321H.

Samm 2 - Kontrollige temperatuuri akent. Alla 538 kraadi pole H-astet vaja. 538 kraadist 750 kraadini sobivad mõlemad; üle 750 kraadi, uuendage sulamite perekonda.

Samm 3 - Hinnake keevitatavust/PWHT. Kui keevisõmbluse järgne lõõmutamine- on ebapraktiline (suure väljaga-valmistatud anum), valige 321H. Kui poes on-valmistatud õhuke-sein, valige 304H.

Samm 4 - Kinnitage kood ja{1}}lõppkasutaja volitused. NACE SP0170 (PTA pragunemine), API RP 939-A (rafineerimistehase küttetorud) ja paljud operaatori spetsifikatsioonid sunnivad valikut tegema.

Seejärel täpsustage joonisel ja ostutellimusel: UNS-i number, ASTM-i toote spetsifikatsioon, H-klassi süsinikuvahemik, stabiliseerimisaste (321H jaoks) ja nõutav korrosioonikatse (ASTM A262).

Järeldus

304H ja 321H on metallurgia lähedased sugulased: mõlemad on 18Cr-8Ni austeniitsest roostevabast terasest kontrollitud kõrgendatud süsinikusisaldusega kõrgel -temperatuuril tugevuse tagamiseks. Nendevaheline otsus lülitab sisse ühekordse-välja-kõrgema alus-metalli roometugevuse (304H) võrreldes suurepärase keevisõmbluse-HAZ-i stabiilsuse ja korrosioonikindlusega (321H). Õhukeseseinaliste õmblusteta ja kõrge temperatuuriga torude jaoks, mille disaini juhib roome, on 304H tavaliselt õige lahendus.

Paksu-seinaga, keevitatud-või väljalülitatud-surveanumate puhul tasub 321H tavaliselt tagasi töökindluse ja eluea-kulu. Insenerid, kes teevad selle valiku tahtlikult-kasutades ASME lubatud-stressitabeleid, NACE ja API juhiseid ning teenuse-keskkonnaprofiili-, määravad esimesel korral õige sulami ja väldivad{10}}teeninduseta{11}}kulukat üllatust.