304H v primerjavi s 321H: Vsebnost ogljika in lezeča trdnost za visoko{2}}temperaturne tlačne posode

Uvod

Pri načrtovanju tlačnih posod za visoko{0}}temperaturne-grelnike v rafinerijah, pregrevalnike kotlov, katalitske krekerje in izmenjevalnike toplote-se inženirji vedno znova soočajo z enim vprašanjem: naj navedejo 304H ali 321H? Oba staavstenitna nerjavna jeklas pripono "H", ki označuje nadzorovano povišano vsebnost ogljika za izboljšano zmogljivost lezenja. Vendar se razlikujejo po strategiji stabilizacije, varljivosti in dolgoročni-zanesljivosti. Ta primerjava razčleni vsebnost ogljika, trdnost lezenja in izbirna merila v preprostem jeziku, tako da lahko specifikacije sprejemajo samozavestne odločitve,-skladne s kodo.

Kaj sta nerjavna jekla 304H in 321H?

304H in 321H sta avstenitna, krom-nikljeva nerjavna jekla v družini 18Cr-8Ni; pripona »H« označuje nadzorovano območje ogljika (0,04–0,10 %), optimizirano za delovanje pri visokih temperaturah. 321H dodatno vsebuje titan za stabilizacijo karbida.

Oba razreda imata enako kemijsko sestavo 17,0–19,0 % kroma in 9,0–13,0 % nikljeve baze. Razlika je v tem, kako vsak ravna z ogljikom pri visoki temperaturi:

304H (UNS S30409) je visoko{2}}ogljična različica standarda 304. Njegova nadzorovana vsebnost ogljika (0,04–0,10 %) krepi zlitino pri povišani temperaturi s povečanjem-prispevka ogljika, raztopljenega v avstenitni matrici, k utrditvi raztopine.

321H (UNS S32109) je različica 321 z visokim-ogljikom, ki je v bistvu kemija 304 in titan. Titan se prednostno veže z ogljikom, da tvori stabilne titanove karbide (TiC), kar preprečuje obarjanje kromovega karbida na mejah zrn.

Obe zlitini spadata pod ASTM A240/A240M (plošča, pločevina, trak), ASTM A312 (brezšivne in varjene cevi) in ASME Kodeks za kotle in tlačne posode (BPVC), oddelek II.

Zaradi skupnega obsega Cr in Ni so na splošno zamenljivi glede odpornosti proti koroziji za ne-varjene, stabilizirane ali po-raztopini-žarjene pogoje.

Kako se vsebnost ogljika razlikuje med 304H in 321H?

Razponi ogljika so nominalno enaki-0,04 % do 0,10 % za oba, vendar titan 321H "zaklene" ogljik kot TiC, zato je efektivni prosti ogljik, ki je na voljo za ojačitev pri lezenju, nižji v 321H kot v 304H.

Po ASTM A240 tako 304H kot 321H zahtevata ogljik med 0,04 % in 0,10 %. Spodnja meja zagotavlja minimalen učinek-ojačitve zaradi lezenja; zgornja meja preprečuje prekomerno tvorbo karbidne mreže, ki povzroči krhkost matrice. Kako se ta ogljik obnaša, pa se razlikuje:

V 304H ostane večina ogljika raztopljenega v avstenitu po žarjenju v raztopini, kar neposredno prispeva h trdni-otrditvi raztopine in k izločanju karbida, ki pritrjuje meje zrn med delovanjem.

V 321H titan (najmanj 5 × C, običajno 0,15–0,70 %) reagira z ogljikom in tvori stabilen TiC. To zmanjša količino ogljika, ki je na voljo za obarjanje kromovega karbida (Cr₂₃C₆), prav tako pa zmanjša količino ogljika, ki je na voljo za neposredno utrjevanje matriksa.

Praktična posledica: 304H na splošno zagotavlja nekoliko višjo kratkoročno-povišano-temperaturno mejo tečenja, ker več ogljika ostane v trdni raztopini, medtem ko 321H žrtvuje nekaj te okrepitve v zameno za odpornost proti preobčutljivosti.

Kako ogljik vpliva na lezenje pri visokih temperaturah?

Ogljik v avstenitnem nerjavnem jeklu zviša trdnost lezenja z dvema mehanizmoma-trdna-ojačitev matrice in zrna z raztopino-zapenjanje mej s karbidi-in oba učinka se stopnjujeta, ko se ogljik premika od 0,04 % proti 0,10 %.

Lezenje je počasna, od časa-odvisna deformacija, do katere pride, ko je kovina pod obremenitvijo pri visoki temperaturi. Boji z ogljikom potekajo na dveh frontah:

Trdna{0}}okrepitev rešitve. Raztopljeni ogljik popači avstenitno mrežo in se upira dislokacijskemu vzponu-prevladujočemu mehanizmu lezenja nad 0,5 Tₘ (temperatura taljenja v Kelvinih). Za avstenit 18Cr-8Ni delovne temperature 600–800 stopinj postavijo zlitino ravno v ta režim.

Zrnat-mejni karbidni zatič. M₂₃C₆ (večinoma Cr₂₃C₆) se med delovanjem obarja na mejah zrn. Nadzorovana disperzija učvrsti meje zrn, upočasni drsenje in podaljša življenjsko dobo pretrganja. Preveč karbida pa tvori neprekinjen zrnat-mejni film, ki zlitino postane krhek in osiromaši sosednji krom.

Podatki-o prelomu pod napetostjo (razdelek II ASME, tabela 1A) potrjujejo izplačilo. Pri 700 stopinjah in 100.000 urah dovoljene vrednosti napetosti za ploščo 304H (ASTM A240) običajno presegajo vrednosti plošče 321H za približno 5–15 %, odvisno od oblike izdelka in natančnega razmerja ogljik/titan. To je neposreden, merljiv rezultat večje količine prostega ogljika v 304H.

Kakšno vlogo ima titan v 321H?

Titan v 321H deluje kot lovilec ogljika, pri čemer tvori stabilen TiC, ki preprečuje obarjanje Cr₂₃C₆, s čimer ščiti krom-meje zrn in odpravlja preobčutljivost v toplotno-območju (HAZ) po varjenju.

Stabilizacijsko razmerje je opredeljeno kot Ti Večje ali enako 5 × C (ASTM A240). Pri 0,06 % ogljika (srednji-razpon) je minimalna zahtevana vsebnost titana 0,30 %, tipične specifikacije pa ciljajo na 0,30–0,60 % za zagotovitev stabilizacijske rezerve.

TiC je termodinamično stabilnejši od Cr₂3C₆. Nastane med žarjenjem v raztopini (1050–1100 stopinj) in vztraja med delovanjem, tako da kromov karbid ne more nastati pri oknu občutljivosti 450–850 stopinj, na katerega naleti zlitina med uporabo ali v HAZ.

Zato 321H ne zahteva žarjenja po-raztopini za varjenje za obnovitev odpornosti proti interkristalni koroziji-prednost za-posode, postavljene na terenu, in cevovode velikega-premera, kjer je žarjenje v peči nepraktično.

Kompromis-: titan prav tako veže ogljik, ki bi sicer prispeval h krepitvi pri lezenju, vključki titanovega nitrida/karbonitrida pa lahko zmanjšajo žilavost zarez pri sobni temperaturi.

Katero jeklo ima boljšo odpornost proti lezenju: 304H ali 321H?

304H ima v osnovni kovini izmerljivo večjo-potrdno trdnost kot 321H pri 600 stopinjah in več, ker ostane več njegovega ogljika na voljo za utrjevanje-raztopine in zapenjanje mej-zrn; vendar pa 321H bolje ohrani svojo trdnost v HAZ zvara, kjer lahko 304H zaradi preobčutljivosti izgubi ogljikov-ojačitev.

Primerjava se razdeli na dva režima-osnovne kovine in HAZ zvara-in dajeta prednost različnim stopnjam:

Lezenje-navadne kovine. Tabele dovoljenih napetosti ASME Code Case in Section II dosledno dajejo 304H enako ali večjo dovoljeno napetost kot 321H od 538 stopinj (1000 stopinj F) do 816 stopinj (1500 stopinj F). Pri 704 stopinjah (1300 stopinjah F) in 100.000 urah je dovoljena obremenitev plošče 304H običajno 10–12 % večja kot pri plošči 321H.

Zvar{0}}obnašanje HAZ. Pri 304H pride do raztapljanja karbida v HAZ med varjenjem in ponovnega obarjanja med ohlajanjem. Če je ohlajanje počasno (debeli deli), nastane občutljiva cona, lokalno osiromašena s kromom in oslabljena pri lezenju. V 321H titan pre-prednostno oblikuje TiC, pri čemer ohranja celovitost-meje zrn in trdnost lezenja HAZ.

Praktična ugotovitev: pri brezšivnih, tanko{0}}stenskih komponentah (cevi, tanke cevi) običajno zmaga višja trdnost osnovne-kovine 304H. Za debelo{4}}stenske, varjene ali-na terenu izdelane tlačne posode 321H zvar-stabilnost HAZ pogosto zmaga pri argumentu-življenjskega cikla.

Kako se primerjata glede odpornosti proti preobčutljivosti in intergranularni koroziji?

321H je veliko bolj odporen proti preobčutljivosti in medkristalni koroziji (IGC) kot 304H, ker stabilizacija titana preprečuje mehanizem izčrpavanja -kroma, ki poganja preobčutljivost 304H v območju 425–900 stopinj.

Preobčutljivost je izguba odpornosti proti koroziji, ki jo povzroči izločanje kromovega karbida na mejah zrn. Oba razreda se zelo različno lotita:

Mehanizem preobčutljivosti. Ko se 304H počasi-ohlaja na 425–900 stopinj, se Cr₂₃C₆ obori na mejah zrn. Sosednji krom pade pod 10,5-odstotni prag pasivacije, zaradi česar so ta območja občutljiva na IGC v kislih ali-medijih, ki vsebujejo klorid.

321H imuniteta. TiC nastane pri višji temperaturi in je bolj stabilen kot Cr₂₃C₆, zato se kromov karbid ne more oblikovati in meje zrn ohranijo celotno vsebnost kroma. Zlitina opravi teste ASTM A262 Practice A/E tudi po senzibilizacijski toplotni obdelavi.

Ustreznost storitve. V rafinerijski kisli uporabi je razpok politionske kisline (PTA) med zaustavitvami prepoznan način okvare za občutljiv 304H. NACE SP0170 izrecno priporoča stabilizirane stopnje (321H, 347H) nad 304H za opremo, ki je izpostavljena PTA razpokam.

Hueyev test (ASTM A262 praksa C). 304H na splošno zahteva žarjenje v raztopini po varjenju, da je uspešno; 321H prehaja v -zvarjenem stanju.

Kakšni so standardi ASME in ASTM za 304H in 321H?

Obe zlitini urejata v bistvu isti nabor specifikacij materiala ASTM in tabel dovoljenih-obremenitev oddelka II ASME BPVC, vendar se posebna oznaka UNS, zahteva za stabilizacijo in obseg-oblike izdelka razlikujejo.

Spodnja tabela povzema veljavne standarde in ključne zahteve za vsako stopnjo:

Osnova dovoljene-obremenitve ASME (oddelek II, Dodatek 1) za oba razreda je nižja od: (1) dveh-tretjin 0,2 % izkoristka pri temperaturi, (2) 100 % povprečne obremenitve, ki povzroči 1 % lezenje v 100.000 urah, ali (3) 67 % povprečne obremenitve, ki povzroči zlom 100.000 ur. Pri temperaturah nad približno 538 stopinj prevladuje-merilo porušitve zaradi lezenja,-zato se višja trdnost pri lezenju 304H neposredno prevede v višjo dovoljeno napetost v navadni kovini.

Kako se premisleki o varjenju razlikujejo?

321H je lažje variti za debele odseke in izdelavo na terenu, ker je odporen na preobčutljivost brez toplotne obdelave po -varjenju (PWHT), medtem ko bo 304H morda zahteval žarjenje v raztopini po varjenju, da se obnovi odpornost proti koroziji; 321H zahteva tudi posebno polnilo.

Pri varjenju visoko{0}}ogljičnega avstenitnega nerjavnega jekla se dva razreda najbolj razlikujeta:

Dodatna kovina. 304H je običajno varjena s polnilom ER308H, ki se ujema z območjem ogljika osnovne kovine. 321H je varjena z polnilom ER347 (stabilizirano z-niobijem) in ne z ER321, ker se titan slabo prenaša čez oblok; niobij zagotavlja enakovredno stabilizacijo v zvaru.

Preobčutljivost po varjenju. 304H HAZ povzroči preobčutljivost, če je ohlajanje na 425–900 stopinj počasno (debela stena, velik vnos toplote). Ublažitev: žarjenje v raztopini pri 1050–1100 stopinjah, ki mu sledi hitro gašenje-delovanje v peči je nepraktično za velike tlačne posode. 321H HAZ ne povzroča občutljivosti, ker se TiC-obnovi prednostno.

Zahteva PWHT. Oddelek VIII ASME ne predpisuje PWHT za noben razred, vendar delovna okolja (kislo, PTA, jedko) to pogosto zahtevajo. Za 304H je zahtevana PWHT žarjenje s polno raztopino; za 321H pogosto zadostuje-razbremenitev napetosti pri 850–900 stopinjah in se izogne ​​nevarnosti popačenja pri popolnem žarjenju.

Nevarnost vročih razpok. Oba razreda sta avstenitna s 5–10 % ferita v kovini zvara, zato so vroče razpoke skromne. 321H-ovi vključki titanovega nitrida lahko delujejo kot iniciatorji razpok v zelo omejenih spojih-ki zahtevajo nadzorovan vnos toplote in temperaturo med prehodi.

Kateri je boljši za uporabo v tlačnih posodah?

Univerzalnega zmagovalca ni; 304H je prednosten za tanko{1}}stenske, visoko-temperaturne komponente, kjer trdnost lezenja osnovne-kovine določa oblikovanje (pregrevalne cevi, tuljave peči), medtem ko je 321H prednosten za debelo{5}}stenske, varjene ali kisle-delovalne tlačne posode, kjer določata celovitost zvara-HAZ in odpornost proti koroziji (rafinerijski bobni, notranjost reaktorja, lupine regeneratorja katalitskega krekinga).

Prava izbira je odvisna od tega, kateri način okvare dejansko ureja zasnovo. Uporabite naslednji vodnik za odločanje:

Izberite 304H, ko:

Zasnova je odvisna od-porušitvene napetosti in komponenta je brezšivna ali ima malo zvarov (cev, cev, tuljava).

Po-žarjenje raztopine za varjenje je izvedljivo (delovna izdelava, majhna plovila).

Delovanje je oksidativno, z nizko -žveplom in ni izpostavljeno politionski kislini.

Najmanjša debelina stene in teža sta vrhunska ciljna načrtovanja (večja dovoljena obremenitev daje tanjšo steno).

Izberite 321H, ko:

Posoda ima debele-stene, terensko-varjena ali prevelika za-žarjenje v peči.

Storitev vključuje zaustavitev izpostavljenosti politionski kislini (rafinerija FCC, koks, hidrotreater).

Zasnova mora preživeti delovanje pri ciklični temperaturi brez razpok,-ki jih povzroči preobčutljivost.

Koda ali specifikacija kon-uporabnika (npr. NACE SP0170, API RP 939-A) zahteva stabilizirano stopnjo.

Osnovno pravilo: Pod približno 538 stopinjami sta obe stopnji nad-predpisanim-standardom 304/321 ali 316L zadostuje. Med 538 stopinjami in približno 750 stopinjami je 304H običajno učinkovita-izbira. Nad 750 stopinjami upoštevajte 800H/HT, 310S ali nikljeve zlitine (600/601).

Kakšne so razlike v stroških?

321H običajno stane 15–30 % več kot 304H na enoto teže zaradi dodajanja titana, nižjega obsega proizvodnje v mlinah in strožjih zahtev glede-nadzora kakovosti za stabilizacijsko razmerje; vendar analiza stroškov življenjskega-cikla pogosto daje prednost 321H, če so vključeni PWHT, pregled in tveganje izpada.

Cena materiala je le ena komponenta skupnih stroškov lastništva. Razčlenitev:

Premija-za surovine. Ferolegure, ki vsebujejo titan-, in ožje temperaturno kemijsko okno (Ti mora biti večji ali enak 5 × C, vendar ne tako visoko, da bi povzročilo vključke TiN) zvišajo stroške taljenja.

Razpoložljivost mlina. 304H se proizvaja v veliko večjih tonažah po vsem svetu, zato sta dobavni rok in cene bolj konkurenčna. 321H je posebna kakovost z manj kvalificiranimi proizvajalci.

Stroški izdelave. 304H lahko zahteva popolno žarjenje raztopine po varjenju-dodaten cikel v peči, transport in morebitno popačenje. 321H je običajno kot-varjeno ali-razbremenjeno, kar zmanjša stroške izdelave.

Stroški-življenjskega cikla. Nenačrtovan izpad rafinerije, ki ga povzroči kreking 304H PTA, lahko stane milijone na dan. Skromna materialna premija za 321H se pri izogibanju izpadom pogosto povrne večkrat.

Kako izbrati med 304H in 321H: kontrolni seznam za odločitev

Naredite izbiro v štirih vrstnih korakih-(1) določite glavni način napake, (2) preverite temperaturno okno, (3) ocenite varljivost in izvedljivost PWHT, (4) potrdite kodo in-pooblastila končnega uporabnika-nato določite UNS, obliko izdelka in zahtevo za stabilizacijo ali testiranje ogljika.

Strukturiran pristop preprečuje najpogostejše napake pri specifikacijah:

Korak 1 - Ugotovite vodilni način napake. Če vlada-porušitev zaradi lezenja (tanke-stene, visoka-temperatura), nagnite 304H. Če prevladuje razpokanje IGC/PTA (debela-stena, izpostavljenost zaustavitvi), nagnite 321H.

Korak 2 - Preverite temperaturno okno. Pod 538 stopinjami ni potrebna nobena stopnja H-. Od 538 stopinj do 750 stopinj, oba ustrezata; nad 750 stopinj, nadgradite družino zlitin.

Korak 3 - Ocenite varivost/PWHT. Če je žarjenje raztopine po-varu nepraktično (velika pol-izdelana posoda), izberite 321H. Če kupujete-tankostenske-izdelke, izberite 304H.

Korak 4 - Potrdite kodo in pooblastila končnega-uporabnika. NACE SP0170 (krekiranje PTA), API RP 939-A (grelne cevi za rafinerije) in številne specifikacije operaterja silijo k izbiri.

Nato na risbi in naročilnici navedite: številko UNS, specifikacijo izdelka ASTM, obseg ogljika razreda H-, stabilizacijsko razmerje (za 321H) in zahtevani korozijski test (ASTM A262).

Zaključek

304H in 321H sta bližnja metalurška sorodnika: oba sta avstenitna nerjavna jekla 18Cr-8Ni z nadzorovano povišano vsebnostjo ogljika za trdnost pri visokih-temperaturah. Odločitev med njima se obrne na eno samo menjavo-iz-višje osnovne-trdnosti lezenja kovine (304H) v primerjavi z vrhunsko stabilnostjo -HAZ in odpornostjo proti koroziji (321H). Za tankostenske, brezšivne, visokotemperaturne cevi, pri katerih zasnovo ureja lezenje, je 304H običajno prava izbira.

Za debel{0}}stenske, na terenu-varjene ali zaprtju-izpostavljene tlačne posode 321H običajno povrne svojo premijo z zanesljivostjo in stroški življenjskega-cikla. Inženirji, ki to izbiro namenoma-izberejo z uporabo tabel dovoljenih-obremenitev ASME, smernic NACE in API ter servisnega-profila okolja-bodo prvič določili pravo zlitino in se izognili dragemu presenečenju zaradi-neuporabne-ladje.