304H در مقابل 321H: محتوای کربن و استحکام خزش برای-مخازن فشار دمای بالا - دانش

مهندسان هنگام طراحی مخازن تحت فشار برای-سرویس با دمای بالا-هیترهای پالایشگاهی، سوپرهیترهای دیگ بخار، کراکرهای کاتالیزوری و مبدلهای حرارتی{2}}به طور مکرر با یک سوال مواجه می شوند: آیا باید 304H یا 321H را مشخص کنند؟ هر دو هستندفولادهای زنگ نزن آستنیتیحامل پسوند "H" که کربن کنترل شده بالا را برای بهبود عملکرد خزش مشخص می کند. با این حال، آنها از نظر استراتژی تثبیت، قابلیت جوشکاری و قابلیت اطمینان طولانی مدت متفاوت هستند. این مقایسه محتوای کربن، قدرت خزش، و معیارهای انتخاب را به زبان ساده تجزیه می‌کند، بنابراین مشخص‌کننده‌ها می‌توانند تصمیمات مطمئن و مطابق با کد- اتخاذ کنند.

304H vs 321H

304H و 321H هر دو فولادهای زنگ نزن آستنیتی کرومی-نیکلی در خانواده 18Cr-8Ni هستند. پسوند "H" یک محدوده کربن کنترل شده (0.04-0.10٪) را نشان می دهد که برای سرویس در دمای بالا بهینه شده است{8}}H همچنین حاوی تیتانیوم برای تثبیت کاربید است.

هر دو گرید از 17.0-19.0٪ کروم و 9.0-13.0٪ شیمی پایه نیکل یکسان دارند. تمایز در نحوه کنترل کربن در دمای بالا نهفته است:

304H (UNS S30409) نوع کربن بالا استاندارد 304 است. محتوای کربن کنترل شده آن (0.04-0.10٪) با افزایش محلول{6}} سهم کربن محلول در ماتریس آستنیت، آلیاژ را در دمای بالا تقویت می کند.

321H (UNS S32109) نوع کربن بالا-321 است که در اصل 304 شیمی به اضافه تیتانیوم است. تیتانیوم ترجیحاً با کربن متصل می شود تا کاربیدهای تیتانیوم پایدار (TiC) را تشکیل دهد و از بارش کاربید کروم در مرزهای دانه جلوگیری می کند.

هر دو آلیاژ تحت ASTM A240/A240M (صفحه، ورق، نوار)، ASTM A312 (لوله بدون درز و جوش داده شده)، و ASME بویلر و کد مخزن تحت فشار (BPVC) بخش II قرار دارند.

محدوده‌های مشترک کروم و نیکل آن‌ها باعث می‌شود که به طور گسترده‌ای از نظر مقاومت در برابر خوردگی برای شرایط غیرجوش‌خورده، تثبیت‌شده یا پس از آنیل شدن-محلول- قابل تعویض باشند.

محدوده کربن اسماً یکسان است-0.04٪ تا 0.10٪ برای هر دو، اما تیتانیوم 321H کربن را به عنوان TiC "قفل" می کند، بنابراین کربن آزاد موثر موجود برای تقویت خزش در 321H کمتر از 304H است.

در ASTM A240، هر دو 304H و 321H به کربن بین 0.04٪ و 0.10٪ نیاز دارند. کران پایین حداقل خزش-تقویت کننده را تضمین می کند. کران بالایی از تشکیل شبکه کاربید بیش از حد که ماتریس را شکننده می کند جلوگیری می کند. با این حال، نحوه رفتار کربن متفاوت است:

در 304H، بیشتر کربن پس از بازپخت محلول در آستنیت محلول باقی می‌ماند و مستقیماً به تقویت محلول جامد-و بارش کاربید کمک می‌کند که مرزهای دانه‌ها را در حین کار مشخص می‌کند.

در 321H، تیتانیوم (حداقل 5 × C، معمولاً 0.15-0.70٪) با کربن واکنش می دهد تا TiC پایدار را تشکیل دهد. این باعث کاهش کربن موجود برای بارش کاربید کروم (Cr23C6) و همچنین کاهش کربن موجود برای تقویت ماتریس مستقیم می شود.

نتیجه عملی: 304H عموماً استحکام تسلیم دمایی کوتاه‌تر-زمان بالا- کمی بالاتر می‌دهد زیرا کربن بیشتری در محلول جامد باقی می‌ماند، در حالی که 321H بخشی از این تقویت را در ازای مصونیت در برابر حساس شدن قربانی می‌کند.

کربن موجود در فولاد زنگ نزن آستنیتی با دو مکانیسم-تقویت محلول جامد-تقویت محلول ماتریس و دانه-پین مرزی توسط کاربیدها- استحکام خزش را افزایش می‌دهد و هر دو اثر با حرکت کربن از 0.04% به 0.10% تشدید می‌شوند.

How Does Carbon Affect Creep Strength at High Temperatures

خزش تغییر شکل آهسته و وابسته به زمان-هنگامی که فلزی در دمای بالا تحت تنش قرار می‌گیرد، رخ می‌دهد. دعواهای کربن در دو جبهه خزش دارند:

تقویت{0} محلول جامد. کربن محلول شبکه آستنیت را منحرف می‌کند و در برابر بالا رفتن نابجایی-مکانیسم خزش غالب بالای 0.5 Tₘ (دمای ذوب بر حسب کلوین) مقاومت می‌کند. برای آستنیت 18Cr-8Ni، دمای سرویس 600-800 درجه، آلیاژ را کاملاً در این رژیم قرار می دهد.

سنجاق-کاربید مرزی. M23C6 (عمدتاً Cr23C6) در طول سرویس بر روی مرزهای دانه رسوب می کند. یک پراکندگی کنترل شده مرزهای دانه را پین می کند، لغزش را کند می کند و عمر گسیختگی را افزایش می دهد. با این حال، کاربید زیاد، یک لایه مرزی پیوسته- تشکیل می‌دهد که آلیاژ را شکننده و کروم مجاور را تخلیه می‌کند.

داده‌های گسیختگی{0} استرس (ASME بخش II، جدول 1A) نتیجه را تأیید می‌کند. در دمای 700 درجه و 100000 ساعت، مقادیر تنش مجاز برای صفحه 304H (ASTM A240) معمولاً بسته به فرم محصول و تعادل دقیق کربن/تیتانیوم، تقریباً 5 تا 15 درصد از صفحه 321H بیشتر است. این نتیجه مستقیم و قابل اندازه گیری کربن آزاد بالاتر در 304H است.

تیتانیوم موجود در 321H به‌عنوان یک جاذب کربن عمل می‌کند و TiC پایداری را تشکیل می‌دهد که از بارش Cr23C6 جلوگیری می‌کند، در نتیجه از کروم مرزی دانه‌ها محافظت می‌کند و حساسیت در ناحیه تحت تأثیر گرما (HAZ) پس از جوشکاری را حذف می‌کند.

نسبت تثبیت به عنوان Ti بزرگتر یا مساوی 5 × C (ASTM A240) تعریف می شود. با کربن در 0.06٪ (-محدوده متوسط)، حداقل تیتانیوم مورد نیاز 0.30٪ است و مشخصات معمولی 0.30-0.60٪ برای اطمینان از ذخیره تثبیت مورد نظر است.

TiC از نظر ترمودینامیکی پایدارتر از Cr23C6 است. در طول بازپخت محلول (1050-1100 درجه) تشکیل می شود و در طول سرویس باقی می ماند، بنابراین کاربید کروم نمی تواند در پنجره حساسیت 450-850 درجه که آلیاژ در سرویس یا در HAZ با آن مواجه می شود، تشکیل شود.

به همین دلیل است که 321H برای بازیابی مقاومت خوردگی بین دانه‌ای نیازی به بازپخت پس از{1}}محلول جوشی ندارد-یک مزیت برای مخازن{3}}در مزرعه و لوله‌کشی‌های بزرگ-که در آن بازپخت کوره غیرعملی است.

معامله-: تیتانیوم همچنین کربن را به هم متصل می‌کند که در غیر این صورت به تقویت خزش کمک می‌کند، و ادغام‌های نیترید/کربونیترید تیتانیوم می‌توانند چقرمگی بریدگی را در دمای اتاق کاهش دهند.

304H دارای قدرت خزشی-به مراتب بالاتری نسبت به 321H در 600 درجه و بالاتر در فلز پایه است، زیرا کربن بیشتری برای-تقویت محلول جامد و سنجاق مرزی{5}}در دسترس باقی می‌ماند. با این حال، 321H استحکام خود را بهتر در جوش HAZ حفظ می کند، جایی که 304H می تواند کربن- را از طریق حساس شدن از دست بدهد.

Which Steel Has Better Creep Strength 304H or 321H

این مقایسه به دو رژیم-فلز پایه و جوش HAZ-تقسیم می‌شود و درجات متفاوتی را ترجیح می‌دهند:

پاره-خزش-فلز پایه. جداول تنش مجاز ASME Code Case و Section II به طور مداوم تنش مجاز 304H را برابر یا بالاتر از 321H از 538 درجه (1000 درجه فارنهایت) تا 816 درجه (1500 درجه فارنهایت) نشان می دهد. در دمای 704 درجه (1300 درجه فارنهایت) و 100000 ساعت، تنش مجاز صفحه 304H معمولاً 10 تا 12 درصد بیشتر از صفحه 321H است.

جوش-رفتار HAZ. در 304H، HAZ انحلال کاربید را در طول جوشکاری و بارندگی مجدد را در طول خنک شدن تجربه می کند. اگر خنک‌سازی کند باشد (قطعات ضخیم)، یک ناحیه حساس تشکیل می‌شود که به صورت موضعی از کروم تهی می‌شود و در خزش ضعیف می‌شود. در 321H، تیتانیوم مجدداً-TiC را ترجیحاً تشکیل می‌دهد و یکپارچگی مرز دانه و قدرت خزش HAZ را حفظ می‌کند.

برداشت عملی: برای اجزای بدون درز،-دیوار نازک (لوله، لوله نازک)، استحکام خزشی فلزی پایه بالاتر-304H معمولاً برنده است. برای مخازن تحت فشار ساخته شده با دیوار ضخیم، جوش داده شده، یا مزرعه-، جوش 321H-پایداری HAZ اغلب در بحث چرخه عمر برنده است.

321H نسبت به 304H در برابر حساسیت و خوردگی بین دانه‌ای (IGC) بسیار مقاوم‌تر است، زیرا تثبیت تیتانیوم از مکانیسم تخلیه کروم جلوگیری می‌کند که باعث ایجاد حساسیت 304H در محدوده 425-900 درجه می‌شود.

حساس شدن از دست دادن مقاومت به خوردگی ناشی از بارش کاربید کروم در مرزهای دانه است. این دو درجه بسیار متفاوت با آن برخورد می کنند:

مکانیسم حساس سازی هنگامی که 304H در دمای 425-900 درجه آرام- سرد می‌شود، Cr23C6 روی مرزهای دانه‌ها رسوب می‌کند. کروم مجاور به زیر آستانه غیرفعال شدن 10.5 درصد می رسد و این مناطق را در محیط اسیدی یا حاوی کلرید در برابر IGC آسیب پذیر می کند.

ایمنی 321H. TiC در دمای بالاتر تشکیل می شود و پایدارتر از Cr23C6 است، بنابراین کاربیدهای کروم نمی توانند تشکیل شوند و مرزهای دانه محتوای کامل کروم را حفظ می کنند. این آلیاژ تست های A/E ASTM A262 Practice A/E را حتی پس از عملیات حرارتی حساس انجام می دهد.

ارتباط خدمات در خدمات ترش پالایشگاه، ترک خوردگی اسید پلی تیونیک (PTA) در هنگام خاموش شدن یک حالت شکست شناخته شده برای 304H حساس است. NACE SP0170 به صراحت درجه های تثبیت شده (321H، 347H) را بیش از 304H برای تجهیزاتی که در معرض ترک خوردگی PTA هستند توصیه می کند.

تست Huey (ASTM A262 Practice C). 304H معمولاً برای عبور از آنیل کردن محلول پس از جوشکاری نیاز دارد. 321H در حالت جوش-میگذرد.

هر دو آلیاژ اساساً توسط مجموعه یکسانی از مشخصات مواد ASTM و جدول‌های تنش مجاز بخش II ASME BPVC کنترل می‌شوند، اما نام‌گذاری خاص UNS، الزامات تثبیت، و محدوده شکل محصول متفاوت است.

جدول زیر استانداردهای حاکم و الزامات کلیدی را برای هر درجه خلاصه می کند:

استاندارد	304H (UNS S30409)	321H (UNS S32109)
ASTM A240/A240M (صفحه/ورق/نوار)	بله، C 0.04-0.10٪	بله، C 0.04-0.10٪، Ti بزرگتر یا مساوی با 5×C
ASTM A312 (لوله بدون درز و جوش داده شده)	بله (TP304H)	بله (TP321H)
ASTM A213 (لوله بدون درز)	بله (T304H)	بله (T321H)
ASTM A182 (فرج / فلنج)	بله (F304H)	بله (F321H)
ASME BPVC بخش II، جدول 1A	تنش مجاز تا 816 درجه	تنش مجاز تا 816 درجه
بخش هشتم ASME. 1	مجاز (UG-20، UG-23)	مجاز (UG-20، UG-23)

مبنای تنش مجاز ASME (بخش II، پیوست 1) برای هر دو درجه پایین‌تر است: (1) دو-درصد بازده 0.2% در دما، (2) 100% تنش متوسط برای ایجاد 1% خزش در 100000 ساعت، یا (3) از 10 ساعت تا 67% تنش متوسط. در دماهای بالاتر از تقریباً 538 درجه، معیار خزش-پارگی غالب است-بنابراین استحکام خزشی بالاتر 304H مستقیماً به تنش مجاز بالاتر در فلز پایه تبدیل می‌شود.

جوش 321H برای مقاطع ضخیم و ساخت مزرعه آسان تر است زیرا در برابر حساسیت بدون عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) مقاومت می کند، در حالی که 304H ممکن است به بازپخت محلول بعد از جوشکاری برای بازگرداندن مقاومت به خوردگی نیاز داشته باشد. 321H همچنین به یک پرکننده تخصصی نیاز دارد.

How Do Welding Considerations Differ

جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی با کربن بالا- جایی است که این دو درجه به شدت از هم جدا می شوند:

فلز پرکننده. 304H معمولاً با پرکننده ER308H، مطابق با محدوده کربن فلز اصلی، جوش داده می‌شود. 321H با پرکننده ER347 (نیوبیم-تثبیت‌شده) جوش داده می‌شود، نه ER321، زیرا تیتانیوم به خوبی در قوس منتقل نمی‌شود. نیوبیم تثبیت معادلی را در فلز جوش فراهم می کند.

حساس شدن بعد از جوشکاری. 304اگر خنک شدن در دمای 425 تا 900 درجه آهسته باشد، H HAZ حساس می شود (دیواره ضخیم، گرمای ورودی بالا). کاهش: بازپخت محلول در 1050-1100 درجه و به دنبال آن خاموش کردن سریع-عملیات کوره غیرعملی برای مخازن تحت فشار بزرگ{7}}H HAZ حساس نمی شود زیرا TiC re- ترجیحاً تشکیل می شود.

نیاز PWHT ASME بخش VIII PWHT را برای هر یک از گریدها الزامی نمی کند، اما محیط های خدماتی (ترش، PTA، سوزاننده) اغلب به آن نیاز دارند. برای 304H، PWHT مورد نیاز آنیل کامل محلول است. برای 321H، کاهش استرس در 850-900 درجه اغلب کافی است و از خطر اعوجاج ناشی از آنیل کامل جلوگیری می کند.

خطر ترک داغ هر دو گرید آستنیتی با 5 تا 10 درصد فریت در فلز جوش هستند، بنابراین ترک‌خوردگی گرم بسیار کم است. 321آخال‌های نیترید تیتانیوم H می‌توانند به عنوان آغازگر ترک در اتصالات بسیار محدود عمل کنند{4}}که نیاز به ورودی گرمای کنترل‌شده و دمای بینگذر دارند.

هیچ برنده جهانی وجود ندارد. 304H برای اجزای-دیوار نازک،-درجه حرارت بالا ترجیح داده می‌شود که در آن مقاومت خزشی پایه-فلز بر طراحی حاکم است (لوله‌های سوپرهیتر، کویل‌های کوره)، در حالی که 321H برای دیواره‌های ضخیم، جوش داده شده، یا مقاومت ترش{101}ترجیح می‌باشد. حکومت (درام های پالایشگاه، داخل راکتور، پوسته های احیا کننده ترقه کاتالیزوری).

انتخاب صحیح بستگی به این دارد که کدام حالت شکست واقعاً بر طراحی حاکم است. از راهنمای تصمیم گیری زیر استفاده کنید:

304H را انتخاب کنید زمانی که:

طراحی تحت تأثیر تنش خزشی{0}}پارگی است و قطعه بدون درز است یا دارای جوش های کمی است (لوله، لوله، سیم پیچ).

بازپخت محلول بعد از{0}جوش امکان پذیر است (ساخت مغازه، مخازن کوچک).

سرویس اکسید کننده، گوگرد کم-و بدون قرار گرفتن در معرض اسید پلی تیونیک است.

حداقل ضخامت و وزن دیوار از اهداف طراحی برتر هستند (تنش مجاز بیشتر باعث ایجاد دیوار نازک تر می شود).

321H را انتخاب کنید زمانی که:

ظرف ضخیم-دیواره، مزرعه-جوش داده شده، یا بیش از حد بزرگ است که در کوره پخته شود-.

خدمات شامل قرار گرفتن در معرض خاموش شدن با اسید پلی تیونیک (پالایشگاه FCC، کوکر، هیدروتراتر) است.

این طرح باید از خدمات دمای چرخه‌ای بدون ترک‌خوردگی-حساسیت‌سازی دوام بیاورد.

کد یا مشخصات کاربر نهایی (به عنوان مثال، NACE SP0170، API RP 939-A) درجه تثبیت شده را الزامی می کند.

قانون سرانگشتی: تقریباً زیر 538 درجه، هر دو درجه بالاتر از-مشخص شده-استاندارد 304/321 یا 316L کافی است. بین 538 درجه و تقریباً 750 درجه، 304H معمولاً انتخاب مؤثر{10} است. بالاتر از 750 درجه، 800H/HT، 310S یا آلیاژهای نیکل (600/601) را در نظر بگیرید.

321H معمولاً 15 تا 30% بیشتر از 304H در واحد وزن هزینه دارد که دلیل آن افزودن تیتانیوم، حجم تولید کمتر آسیاب، و کیفیت سخت‌تر{4}}نیازهای کنترلی برای نسبت تثبیت است. با این حال، زمانی که PWHT، بازرسی و خطر قطعی شامل می‌شود، تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر{5}}اغلب 321 ساعت را ترجیح می‌دهد.

قیمت مواد تنها یک جزء از هزینه کل مالکیت است. تجزیه:

حق بیمه مواد خام-. فروآلیاژهای دارای{2}}تیتانیوم و پنجره شیمی گرمایی باریکتر (Ti باید بزرگتر یا مساوی 5×C باشد اما نه آنقدر زیاد که باعث ایجاد قلع شود) هزینه ذوب را افزایش می دهد.

در دسترس بودن آسیاب. 304H در تناژ بسیار بالاتری در سطح جهانی تولید می‌شود، بنابراین زمان تولید و قیمت رقابتی‌تر است. 321H یک درجه تخصصی با تولیدکنندگان واجد شرایط کمتر است.

هزینه ساخت{0}}H ممکن است به بازپخت کامل محلول بعد از جوشکاری نیاز داشته باشد-یک چرخه کوره اضافی، حمل و نقل و دوباره کاری با اعوجاج احتمالی. 321H معمولاً به اندازه-جوشکاری یا تنش{4}}کاهش شده، هزینه ساخت برش است.

هزینه چرخه عمر-. یک قطع برنامه ریزی نشده پالایشگاه ناشی از ترک خوردگی 304H PTA می تواند روزانه میلیون ها هزینه داشته باشد. حق بیمه متوسط مواد برای 321H اغلب در جلوگیری از قطع برق چندین برابر بازیابی می شود.

انتخاب را در چهار مرحله مرتب کنید-(1) شناسایی حالت خرابی حاکم، (2) پنجره دما را بررسی کنید، (3) قابلیت جوشکاری و PWHT را ارزیابی کنید، (4) تأیید کد و نهایی-دستورالعمل های کاربر-سپس UNS، فرم محصول، و الزامات تثبیت یا تست کربن را مشخص کنید.

How to Choose Between 304H and 321H

یک رویکرد ساختاریافته از رایج ترین خطاهای مشخصات جلوگیری می کند:

مرحله 1 - حالت خرابی حاکم را شناسایی کنید. اگر خزش-پارگی حاکم است (دیواره-نازک،-دمای بالا)، 304H را لاغر کنید. اگر ترک خوردگی IGC/PTA حاکم است (دیوار ضخیم-، نوردهی خاموش)، 321H را خم کنید.

مرحله 2 - پنجره دما را بررسی کنید. زیر 538 درجه، به هیچکدام از H- نیازی نیست. از 538 درجه تا 750 درجه، هر دو مناسب هستند. بالاتر از 750 درجه، خانواده آلیاژ را ارتقا دهید.

مرحله 3 - قابلیت جوشکاری/PWHT را ارزیابی کنید. اگر-آنیل محلول جوشی غیرعملی است (میزان بزرگ-رگ ساخته شده)، 321H را انتخاب کنید. اگر فروشگاه-دیوار نازک-ساخت، 304H را انتخاب کنید.

مرحله 4 - تأیید کد و دستورات کاربر نهایی-. NACE SP0170 (ترک PTA)، API RP 939-A (لوله های بخاری پالایشگاه)، و بسیاری از مشخصات اپراتور انتخاب را مجبور می کند.

سپس در نقشه و سفارش خرید مشخص کنید: شماره UNS، مشخصات محصول ASTM، محدوده کربن درجه H{0}، نسبت تثبیت (برای 321H)، و تست خوردگی مورد نیاز (ASTM A262).

304H و 321H پسر عموهای متالورژیکی نزدیکی هستند: هر دو فولادهای زنگ نزن آستنیتی 18Cr{4}}8Ni با کربن بالا کنترل شده برای استحکام دمایی- بالا هستند. تصمیم بین آنها باعث می‌شود که یک معامله-خزش پایه بالاتر-مقاومت خزشی فلزات (304H) در مقابل جوش برتر{13}}HAZ و پایداری در برابر خوردگی (321H) (321H) انجام شود. برای دیوار نازک،{14}}لوله‌های بدون درز و دمای بالا که در آن خزش بر طراحی حاکم است، 304H معمولاً تماس مناسبی است.

برای مخازن تحت فشار-ضخیم، میدانی-جوش داده شده یا خاموش-، 321H معمولاً حق بیمه خود را در قابلیت اطمینان و هزینه چرخه عمر- پس می‌دهد. مهندسانی که این انتخاب را عمداً-با استفاده از جداول استرس مجاز ASME-، راهنمایی NACE و API، و خدمات{8}}نمایه محیطی- انجام می‌دهند، در اولین بار آلیاژ مناسب را مشخص می‌کنند و از غافلگیری پرهزینه یک کشتی خارج از سرویس جلوگیری می‌کنند.