304H срещу 321H: Съдържание на въглерод и устойчивост на пълзене за съдове с висока{2}}температура под налягане

Въведение

При проектирането на съдове под налягане за високо{0}}температурно обслужване-нагреватели в рафинерии, прегреватели на котли, каталитични крекери и топлообменници-инженерите многократно се изправят пред един въпрос: трябва ли да посочат 304H или 321H? И двете сааустенитни неръждаеми стоманиносещ наставката "H", която обозначава контролирано повишено съдържание на въглерод за подобрена производителност при пълзене. И все пак те се различават по стратегия за стабилизиране, заваряемост и-дългосрочна надеждност. Това сравнение разбива съдържанието на въглерод, якостта на пълзене и критериите за избор на ясен език, така че спецификаторите да могат да вземат уверени решения, отговарящи на -кодовете.

Какво представляват неръждаемите стомани 304H и 321H?

304H и 321H са аустенитни, хром-никелови неръждаеми стомани от семейството 18Cr-8Ni; суфиксът "H" сигнализира за контролиран въглероден диапазон (0,04–0,10%), оптимизиран за работа при високи температури. 321H допълнително съдържа титан за стабилизиране на карбида.

И двата вида имат еднакъв химичен състав 17,0–19,0% хром и 9,0–13,0% никелова основа. Разликата е в начина, по който всеки борави с въглерод при висока температура:

304H (UNS S30409) е вариантът с високо-въглерод на стандарт 304. Неговото контролирано съдържание на въглерод (0,04–0,10%) заздравява сплавта при повишена температура чрез повишаване на приноса-за укрепване на разтвора на въглерода, разтворен в аустенитната матрица.

321H (UNS S32109) е високо-въглеродният вариант на 321, който по същество е 304 химия плюс титан. Титанът се свързва за предпочитане с въглерода, за да образува стабилни титаниеви карбиди (TiC), предотвратявайки утаяването на хромен карбид по границите на зърната.

И двете сплави попадат в ASTM A240/A240M (плочи, листове, ленти), ASTM A312 (безшевни и заварени тръби) и ASME Код за котли и съдове под налягане (BPVC), раздел II.

Техните общи диапазони на Cr и Ni ги правят широко взаимозаменяеми по отношение на устойчивостта на корозия за не-заварени, стабилизирани или след-разтвор-закалени условия.

Как се различава въглеродното съдържание между 304H и 321H?

Въглеродните диапазони са номинално идентични-0,04% до 0,10% и за двата, но титанът на 321H „заключва“ въглерода като TiC, така че ефективният свободен въглерод, наличен за укрепване при пълзене, е по-нисък в 321H, отколкото в 304H.

Според ASTM A240 както 304H, така и 321H изискват въглерод между 0,04% и 0,10%. Долната граница осигурява минимален ефект на-укрепване на пълзенето; горната граница предотвратява прекомерното образуване на карбидна мрежа, което прави матрицата крехка. Как се държи въглеродът обаче се различава:

В 304H по-голямата част от въглерода остава разтворен в аустенита след отгряване на разтвора, допринасяйки директно за укрепването на твърдия-разтвор и за утаяването на карбид, което закрепва границите на зърната по време на работа.

В 321H титанът (минимум 5 × C, обикновено 0,15–0,70%) реагира с въглерод, за да образува стабилен TiC. Това намалява наличния въглерод за утаяване на хромов карбид (Cr₂₃C₆) и също така намалява наличния въглерод за директно укрепване на матрицата.

Практическа последица: 304H обикновено осигурява малко по-висока граница на провлачване за кратко-време-температура, тъй като повече въглерод остава в твърд разтвор, докато 321H жертва част от това укрепване в замяна на имунитет към сенсибилизация.

Как въглеродът влияе на якостта на пълзене при високи температури?

Въглеродът в аустенитната неръждаема стомана повишава якостта на пълзене чрез два механизма-твърдо вещество-укрепване с разтвор на матрицата и зърното-закрепване на границите от карбиди-и двата ефекта се засилват, когато въглеродът се движи от 0,04% към 0,10%.

Пълзенето е бавна, зависима от времето -деформация, която възниква, когато метал се държи под напрежение при висока температура. Въглеродните битки се разгръщат на два фронта:

Стабилно{0}}укрепване на разтвора. Разтвореният въглерод изкривява решетката на аустенита, устоявайки на дислокационното изкачване-на доминиращия механизъм на пълзене над 0,5 Tₘ (температура на топене в Келвин). За аустенит 18Cr-8Ni експлоатационните температури от 600–800 градуса поставят сплавта точно в този режим.

Карбидно закрепване-на границата на зърното. M₂₃C₆ (предимно Cr₂₃C₆) се утаява по границите на зърната по време на работа. Контролираната дисперсия закрепва границите на зърната, забавя плъзгането и удължава живота на разкъсване. Твърде много карбид обаче образува непрекъснат граничен филм-зърно, който прави сплавта крехка и изчерпва съседния хром.

Данните за-разкъсване на напрежение (ASME Раздел II, Таблица 1A) потвърждават изплащането. При 700 градуса и 100 000 часа допустимите стойности на напрежение за плоча 304H (ASTM A240) обикновено надвишават тези за плоча 321H с приблизително 5–15%, в зависимост от формата на продукта и точния баланс въглерод/титан. Това е директният, измерим резултат от по-високото количество свободен въглерод в 304H.

Каква роля играе титанът в 321H?

Титанът в 321H действа като поглъщащ въглерод, образувайки стабилен TiC, който предотвратява утаяването на Cr₂₃C₆, като по този начин защитава хрома по границите на зърната- и елиминира сенсибилизацията в зоната, засегната от топлина- (HAZ) след заваряване.

Коефициентът на стабилизиране се определя като Ti По-голямо или равно на 5 × C (ASTM A240). С въглерод от 0,06% (среден -обхват), минималният необходим титан е 0,30%, а типичните спецификации са насочени към 0,30–0,60%, за да се осигури резерв за стабилизиране.

TiC е термодинамично по-стабилен от Cr₂3C₆. Той се образува по време на отгряване на разтвора (1050–1100 градуса) и продължава да работи, така че хромният карбид не може да се образува при прозореца на чувствителност от 450–850 градуса, който сплавта среща при експлоатация или в HAZ.

Ето защо 321H не изисква отгряване на разтвора след-заваряване, за да възстанови устойчивостта на междукристална корозия-предимство за-монтирани на място съдове и тръбопроводи с-голям-диаметър, където отгряването в пещта е непрактично.

Компромисът-: титанът също така свързва въглерода, който иначе би допринесъл за укрепване при пълзене, а включванията на титанов нитрид/карбонитрид могат да намалят якостта на прорези при стайна температура.

Коя стомана има по-добра якост на пълзене: 304H или 321H?

304H има измеримо по-висока якост на пълзене-от 321H при 600 градуса и повече в основния метал, тъй като повече от неговия въглерод остава достъпен за укрепване на твърдия-разтвор и закрепване на-граничните зърна; въпреки това, 321H запазва здравината си по-добре в HAZ на заваръчния шев, където 304H може да загуби въглеродно-укрепване чрез сенсибилизация.

Сравнението се разделя на два режима-основен метал и HAZ на заваръчния шев-и те предпочитат различни степени:

Пълзене-на основен метал. ASME Code Case и таблиците за допустимо напрежение в раздел II постоянно дават 304H, равно или по-високо допустимо напрежение от 321H от 538 градуса (1000 градуса F) до 816 градуса (1500 градуса F). При 704 градуса (1300 градуса F) и 100 000 часа допустимото напрежение за плоча 304H обикновено е с 10–12% по-високо от плоча 321H.

Поведение-на HAZ. В 304H HAZ претърпява разтваряне на карбид по време на заваряване и повторно-утаяване по време на охлаждане. Ако охлаждането е бавно (дебели участъци), се образува сенсибилизирана зона, локално обеднена на хром и отслабена при пълзене. В 321H титанът пре-образува TiC за предпочитане, запазвайки целостта на границата на зърното- и якостта на пълзене в HAZ.

Практически изводи: За безшевни, тънкостенни-компоненти (тръби, тънки тръби), по-високата основа-устойчивост на пълзене на метала 304H обикновено печели. За дебело-стенни, заварени или-изработени на място съдове под налягане, стабилността на заварката-HAZ на 321H често печели аргумента за жизнения-цикъл.

Как се сравняват по отношение на устойчивостта на сенсибилизация и междукристална корозия?

321H е много по-устойчив на сенсибилизация и междукристална корозия (IGC) от 304H, тъй като стабилизацията на титан предотвратява механизма за-изчерпване на хром, който задвижва сенсибилизацията на 304H в диапазона 425–900 градуса.

Сенсибилизацията е загубата на устойчивост на корозия, причинена от утаяване на хромен карбид по границите на зърната. Двете степени се справят много различно:

Механизъм на сенсибилизация. Когато 304H се охлажда бавно-до 425–900 градуса, Cr₂₃C₆ се утаява по границите на зърната. Съседният хром пада под прага на пасивация от 10,5%, оставяйки тези зони уязвими на IGC в киселинни или-съдържащи хлорид среди.

321H имунитет. TiC се образува при по-висока температура и е по-стабилен от Cr₂₃C₆, така че хромните карбиди не могат да се образуват и границите на зърната запазват пълно съдържание на хром. Сплавта преминава тестовете ASTM A262 Practice A/E дори след сенсибилизираща термична обработка.

Уместност на услугата. В рафинерийната киселинна услуга крекингът на политионовата киселина (PTA) по време на спиране е признат режим на повреда за сенсибилизиран 304H. NACE SP0170 изрично препоръчва стабилизирани степени (321H, 347H) над 304H за оборудване, подложено на PTA крекинг.

Тестът на Хюи (ASTM A262 Практика C) . 304H обикновено изисква отгряване в разтвор след заваряване, за да премине; 321H преминава в -заварено състояние.

Какви са стандартите ASME и ASTM за 304H и 321H?

И двете сплави се ръководят от по същество един и същ набор от спецификации на материалите на ASTM и таблици за допустими-напрежения на ASME BPVC Раздел II, но конкретното UNS обозначение, изискването за стабилизиране и обхватът на-формата на продукта се различават.

Таблицата по-долу обобщава ръководните стандарти и основните изисквания за всеки клас:

Базата на допустимото-напрежение по ASME (Раздел II, Приложение 1) и за двата класа е по-ниското от: (1) две-трети от 0,2% добив при температура, (2) 100% от средното напрежение за предизвикване на 1% пълзене за 100 000 часа или (3) 67% от средното напрежение за разрушаване 100 000 часа. При температури над приблизително 538 градуса доминира критерият за разрушаване при пълзене-, така че по-високата якост на пълзене на 304H директно се превръща в по-високо допустимо напрежение в основния метал.

Как се различават съображенията за заваряване?

321H е по-лесен за заваряване за дебели профили и полеви изработки, тъй като е устойчив на сенсибилизация без термична обработка след -заваряване (PWHT), докато 304H може да изисква отгряване в разтвор след заваряване, за да се възстанови устойчивостта на корозия; 321H също изисква специализиран пълнител.

Заваряването на високо{0}}въглеродна аустенитна неръждаема стомана е мястото, където двата вида се различават най-рязко:

Допълнителен метал. 304H обикновено се заварява с пълнител ER308H, съответстващ на въглеродния диапазон на основния метал. 321H се заварява с ER347 (ниобий-стабилизиран) пълнител, а не ER321, тъй като титанът не преминава добре през дъгата; ниобият осигурява еквивалентна стабилизация в заваръчния метал.

Сенсибилизация след заваряване. 304H HAZ предизвиква чувствителност, ако охлаждането до 425–900 градуса е бавно (дебела стена, високо подаване на топлина). Смекчаване: отгряване на разтвора при 1050–1100 градуса, последвано от бързо охлаждане-работа в пещта е непрактична за големи съдове под налягане. 321H HAZ не предизвиква сенсибилизация, тъй като TiC се пре-образува за предпочитане.

Изискване за PWHT. Раздел VIII на ASME не налага PWHT нито за двата класа, но работните среди (кисело, PTA, каустик) често го изискват. За 304H изискваната PWHT е отгряване с пълен разтвор; за 321H облекчаване-на напрежението при 850–900 градуса често е достатъчно и избягва риска от изкривяване при пълно отгряване.

Риск от горещо напукване. И двата класа са аустенитни с 5–10% ферит в заваръчния метал, така че горещото напукване е умерено. 321Включванията на титанов нитрид на H могат да действат като инициатори на пукнатини в силно ограничени съединения-изискващи контролирано подаване на топлина и температура на преминаване.

Кое е по-добро за приложения на съдове под налягане?

Няма универсален победител; 304H се предпочита за тънко-стенни, високо-температурни компоненти, където якостта на пълзене на основния-метал управлява дизайна (тръби на прегреватели, серпентини на пещта), докато 321H се предпочита за дебело-стенни, заварени или-експлоатационни съдове под налягане, където определят целостта на заварката-HAZ и устойчивостта на корозия (рафинерийни барабани, вътрешни части на реактора, черупки на регенератор за каталитичен крекинг).

Правилният избор зависи от това кой режим на повреда всъщност управлява дизайна. Използвайте следното ръководство за вземане на решения:

Изберете 304H, когато:

Дизайнът се определя от напрежението при пълзене{0}}на скъсване и компонентът е безшевен или има малко заварки (тръба, тръба, бобина).

От-отгряването на разтвора след заваряване е осъществимо (производство в цех, малки съдове).

Услугата е окислителна, с ниско-сярно съдържание и без излагане на политионова киселина.

Минималната дебелина на стената и теглото са първостепенни цели при проектиране (по-високото допустимо напрежение дава по-тънка стена).

Изберете 321H, когато:

Съдът е с дебели-стени, полево-заварен или твърде голям за-отгряване в пещ.

Услугата включва спиране на излагане на политионова киселина (рафинерия FCC, кокс, хидроочистител).

Дизайнът трябва да издържи на циклично температурно обслужване без напукване,-причинено от сенсибилизация.

Код или спецификация на краен-потребител (напр. NACE SP0170, API RP 939-A) налага стабилизирана степен.

Основно правило: Под приблизително 538 градуса и двете степени са над-посочените-стандартни 304/321 или 316L са достатъчни. Между 538 градуса и приблизително 750 градуса, 304H обикновено е ефективният{10}}избор. Над 750 градуса помислете за 800H/HT, 310S или никелови сплави (600/601).

Какви са разликите в разходите?

321H обикновено струва 15–30% повече от 304H на единица тегло поради добавянето на титан, по-малкия производствен обем на мелницата и по-строгите изисквания за-контрол на качеството за съотношението на стабилизация; анализът на разходите за жизнения-цикъл обаче често дава предимство на 321H, когато са включени PWHT, проверка и риск от прекъсване.

Цената на материала е само един компонент от общата цена на притежание. Разбивката:

Премия за-суровини. Титан-съдържащите феросплави и по-тесният топлохимичен прозорец (Ti трябва да бъде по-голям или равен на 5×C, но не толкова висок, че да причини включвания на TiN) повишават разходите за топене.

Наличност на мелницата. 304H се произвежда в много по-висок тонаж в световен мащаб, така че времето за доставка и ценообразуването са по-конкурентни. 321H е специален клас с по-малко квалифицирани производители.

Производствени разходи. 304H може да изисква пълно отгряване на разтвора след заваряване-допълнителен цикъл на пещта, транспортиране и преработка на потенциално изкривяване. 321H обикновено е като-заварен или-освободен от напрежение, намалявайки разходите за производство.

Разходи-за жизнен цикъл. Непланирано прекъсване на рафинерията, причинено от крекинг на 304H PTA, може да струва милиони на ден. Скромната материална премия за 321H често се възстановява многократно при избягване на прекъсвания.

Как да избирате между 304H и 321H: Контролен списък за вземане на решения

Направете избор в четири подредени стъпки-(1) идентифицирайте управляващия режим на повреда, (2) проверете температурния прозорец, (3) оценете заваряемостта и осъществимостта на PWHT, (4) потвърдете кода и-мандатите на крайния потребител-след това посочете UNS, форма на продукта и изискване за стабилизиране или въглероден тест.

Структурираният подход предотвратява най-често срещаните грешки в спецификацията:

Стъпка 1 - Идентифицирайте управляващия режим на повреда. Ако пълзенето-разрушава (тънка-стена, висока-температура), постно 304H. Ако крекингът на IGC/PTA управлява (дебела-стена, излагане на изключване), постно 321H.

Стъпка 2 - Проверете температурния прозорец. Под 538 градуса не е необходима нито една степен H-. От 538 градуса до 750 градуса, и двете са подходящи; над 750 градуса, надстройте семейството на сплавта.

Стъпка 3 - Оценете заваряемостта/PWHT. Ако отгряването на разтвора след-заваряване е непрактично (голям{3}}произведен съд), изберете 321H. Ако купувате-произведени тънкостенни-стени, изберете 304H.

Стъпка 4 - Потвърдете кода и-мандатите на крайния потребител. NACE SP0170 (PTA крекинг), API RP 939-A (рафинерийни нагревателни тръби) и много спецификации на оператора налагат избора.

След това посочете в чертежа и поръчката за покупка: UNS номер, продуктова спецификация по ASTM, въглеродна гама от клас H-, съотношение на стабилизация (за 321H) и изискван тест за корозия (ASTM A262).

Заключение

304H и 321H са близки металургични братовчеди: и двете са 18Cr-8Ni аустенитни неръждаеми стомани с контролирано повишено съдържание на въглерод за висока-температурна якост. Решението между тях включва една единствена сделка-с-по-висока базова-якост на пълзене на метала (304H) срещу превъзходна -стабилност на HAZ и устойчивост на корозия (321H). За тънкостенни, безшевни, високотемпературни тръби, където пълзенето управлява дизайна, 304H обикновено е правилното решение.

За дебело{0}}стенни, полево-заварени или затворени-открити съдове под налягане, 321H обикновено изплаща премията си с надеждност и разходи за-жизнен цикъл. Инженерите, които правят този избор умишлено-използвайки таблиците за допустимо{7}}напрежение на ASME, насоките на NACE и API и сервизния-профил на околната среда-ще уточнят правилната сплав от първия път и ще избегнат скъпата изненада от-не-използван кораб.