Duplex S32205 در مقابل فولاد ضد زنگ 316L: مقایسه مقاومت و کاهش وزن در طراحی سازه

قدرت:حداقل قدرت تسلیم S32205 (450 مگاپاسکال) تقریبا 2.6 برابر بیشتر از 316L (170 مگاپاسکال) است.

کاهش وزن:تغییر از 316L به S32205 می تواند وزن سازه را تا 30-50% در طراحی های مبتنی بر استحکام کاهش دهد.

خوردگی:PREN S32205 ~ 35 از 316 ~ 25 L بیشتر است و مقاومت بالایی در حفره شدن کلرید ایجاد می کند.

SCC:S32205 در برابر خوردگی استرس کلرید تا دمای ~150-200 درجه سانتیگراد مقاومت می کند. 316L ممکن است بالای 60 درجه سانتیگراد ترک بخورد.

هزینه:S32205 20-30% بیشتر در هر کیلوگرم هزینه دارد، اما اغلب هزینه کل پروژه را از طریق کاهش وزن کاهش می دهد.

ساخت:316L جوش پذیری، شکل پذیری و چقرمگی برودتی بهتری نسبت به S32205 ارائه می دهد.

فولاد ضد زنگ دوبلکس S32205 چیست؟

S32205 یک فولاد ضد زنگ دوبلکس{1}}افزایش یافته نیتروژن با ریزساختار مخلوط تقریباً 50 درصد آستنیت و 50 درصد فریت است که قدرت تسلیم تقریباً دو برابر گریدهای آستنیتی معمولی را ارائه می دهد و در عین حال مقاومت در برابر خوردگی کلرید عالی را ارائه می دهد.

اصطلاح "دوبلکس" به ریزساختار{0}دو فاز ماده اشاره دارد. با متعادل کردن دقیق کروم (22-23٪)، نیکل (4.5-6.5٪)، مولیبدن (3.0-3.5٪) و نیتروژن (0.14-0.20٪)، متالورژیست ها به ساختاری دست می یابند که فریت در آن استحکام و مقاومت در برابر خوردگی بالا را ایجاد می کند، در حالی که آستنیت به سختی کمک می کند. افزودن نیتروژن هر دو فاز را بیشتر تقویت می کند و مقاومت حفره ای را افزایش می دهد.

S32205 (UNS S32205) به عنوان یک نسخه بهبودیافته از گرید قبلی S31803، با کنترل‌های دقیق‌تر روی محتوای نیتروژن (0.14-0.20٪ در مقابل{4}}%) برای بهینه‌سازی تعادل فاز و سازگاری عملکرد توسعه داده شد. نتیجه ماده ای است که استحکام فولادهای ضد زنگ فریتی را با چقرمگی و جوش پذیری نزدیک به درجه های آستنیتی ترکیب می کند.

جدول 1. ترکیب شیمیایی S32205 (ASTM A240)

فولاد ضد زنگ آستنیتی 316L چیست؟

316L یک فولاد زنگ نزن کم کربن و کاملا آستنیتی است که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی عالی، جوش پذیری عالی و شکل پذیری خوب به طور گسترده ای شناخته شده است، اما مقاومت مکانیکی نسبتاً پایین تری نسبت به جایگزین های دوبلکس ارائه می دهد.

"L" در 316L نشان دهنده محتوای کم کربن است (<=0.03%), which minimizes carbide precipitation (sensitization) during welding and thereby preserves corrosion resistance in the heat-affected zone. With chromium (16-18%), nickel (10-14%), and molybdenum (2.0-3.0%), 316L provides good general corrosion resistance and moderate resistance to pitting and crevice corrosion in chloride environments.

ریزساختار کاملا آستنیتی آن، چقرمگی عالی، حتی در دماهای برودتی، و شکل‌پذیری فوق‌العاده برای کشیدن عمیق و عملیات شکل‌دهی پیچیده ارائه می‌دهد. با این حال، ساختار آستنیتی تک فاز ذاتاً قدرت تسلیم کمتری را در مقایسه با گزینه‌های دو فازی- ارائه می‌کند -- معمولاً کمتر از نصف درجه‌های دوبلکس.

جدول 2. ترکیب شیمیایی 316L (ASTM A240)

قدرت تسلیم S32205 چگونه با 316L مقایسه می شود؟

S32205 حداقل 0.2 درصد قدرت تسلیم 450 مگاپاسکال (65 ksi) را ارائه می‌کند که تقریباً 2.6 برابر حداقل 170 مگاپاسکال (25 ksi) 316 لیتر در هر ASTM A240 است که آن را برای کاربردهای ساختاری تحمل بار به‌طور قابل‌توجهی قوی‌تر می‌کند.

استحکام تسلیم - تنشی که در آن یک ماده شروع به تغییر شکل پلاستیکی می کند - پارامتر اصلی طراحی برای اکثر کاربردهای سازه ای است. تفاوت چشمگیر از ریزساختار ناشی می شود: فاز فریت S32205 چگالی نابجایی بالاتر و انرژی خطای انباشتگی کمتری دارد که در نتیجه مقاومت بیشتری در برابر تغییر شکل پلاستیک ایجاد می کند.

از نظر عملی، یک عضو سازه ای که برای حمل بار خاصی با استفاده از 316L طراحی شده است، اگر با هندسه مشابه در S{3}} طراحی شود، تقریباً به 2.6 برابر سطح مقطع نیاز دارد یا به طور معادل، یک عضو S32205 می تواند تقریباً 62٪ نازکتر باشد در حالی که همان بار را حمل می کند.

جدول 3. مقایسه قدرت بازده (حداقل ASTM A240)

مقاومت کششی S32205 چگونه با 316L مقایسه می شود؟

S32205 دارای حداقل استحکام کششی نهایی 620 مگاپاسکال (90 ksi) است که حدود 28 درصد بیشتر از حداقل 485 مگاپاسکال (70 ksi) 316L در هر ASTM A240 است که مقاومت بیشتری در برابر گسیختگی در شرایط بارگذاری شدید ایجاد می کند.

استحکام کششی نهایی (UTS) نشان دهنده حداکثر تنشی است که یک ماده قبل از شکست می تواند تحمل کند. در حالی که تفاوت UTS (28٪) کمتر از تفاوت قدرت تسلیم (165٪) است، اما برای کاربردهایی که شرایط اضافه بار ممکن است رخ دهد، قابل توجه است. UTS بالاتر S32205 همچنین به این معنی است که حاشیه ایمنی بیشتری را بین تسلیم و شکست حفظ می کند و افزونگی ساختاری بیشتری را ایجاد می کند.

قابل‌توجه، ازدیاد طول بیشتر 316L (40% در مقابل{2}}%) به این معنی است که قبل از خرابی بیشتر تغییر شکل می‌دهد و شکل‌پذیری فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهد - - در برنامه‌هایی که به تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی به عنوان مکانیزم هشدار خرابی نیاز دارند. این مبادله بین استحکام و شکل‌پذیری یک اصل متالورژیکی اساسی است: گریدهای دوبلکس مقداری شکل‌پذیری را با استحکام بالاتری مبادله می‌کنند.

جدول 4. مقایسه خواص کششی (ASTM A240)

با تغییر از 316L به S32205 چقدر می توان وزن خود را کاهش داد؟

تغییر از 316L به S32205 در طراحی سازه می تواند بسته به کد طراحی حاکم، شرایط بارگذاری، حداقل ضخامت مورد نیاز و محدودیت های هندسی، 30 تا 50 درصد کاهش وزن داشته باشد.

محاسبات صرفه جویی در وزن بستگی به این دارد که کدام حالت خرابی بر طراحی حاکم است:

بازده-طراحی کنترل شده (به عنوان مثال، مخازن تحت فشار به ازای هر ASME BPVC):

در طراحی مخازن تحت فشار، ضخامت دیواره مورد نیاز به صورت t=(P x R) / (S x E - 0.6P) محاسبه می‌شود که در آن فشار طراحی P =، شعاع R =، تنش مجاز S=و راندمان اتصال E=محاسبه می‌شود. با توجه به تنش مجاز S32205 که تقریباً 2.6 برابر بیشتر از 316L است، ضخامت دیواره محاسبه شده از نظر تئوری می تواند تقریباً 62٪ کاهش یابد. با این حال، ملاحظات عملی - از جمله حداقل الزامات ضخامت ساخت، میزان خوردگی، و راندمان اتصالات جوش - معمولاً صرفه جویی واقعی را به 40-50٪ کاهش می دهد.

سختی-طراحی کنترل شده (به عنوان مثال، انحراف پرتو):

هنگامی که محدودیت های انحراف حاکم است، مدول مقطع (نه مقاومت تسلیم) ابعاد مورد نیاز را تعیین می کند. از آنجایی که هر دو ماده دارای مدول الاستیک مشابهی هستند (تقریباً 200 گیگا پاسکال)، تغییر به S32205 به تنهایی وزن را کاهش نمی دهد اگر انحراف معیار کنترل باشد. با این حال، در اکثر طرح‌های سازه‌ای، ترکیبی از استحکام و سختی حاکم است که امکان کاهش وزن جزئی را فراهم می‌کند.

کمانش-طراحی کنترل شده (به عنوان مثال، ستون ها و صفحات):

برای ستون ها و صفحاتی که در معرض کمانش هستند، هم استحکام مواد و هم خواص هندسی اهمیت دارند. استحکام تسلیم بالاتر S32205 شروع کمانش پلاستیک را به تأخیر می اندازد و به بخش های نازک تر در بسیاری از تنظیمات اجازه می دهد. صرفه جویی در وزن معمولی: 30-40٪.

جدول 5. کاهش وزن بر اساس سناریوی طراحی

کدام ماده مقاومت در برابر خوردگی حفره و شکاف بهتری دارد؟

S32205 مقاومت خوردگی حفره‌ای و شکافی با عدد معادل مقاومت حفره‌ای (PREN) تقریباً 35 در مقایسه با PREN 316L تقریباً 25 ارائه می‌کند که به طور قابل‌توجهی در برابر خوردگی موضعی در محیط‌های حاوی کلرید{4} مقاوم‌تر می‌شود.

PREN یک معیار تجربی پذیرفته شده برای رتبه بندی مقاومت فولادهای زنگ نزن در برابر خوردگی حفره ای است. به صورت زیر محاسبه می شود: PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

برای S32205: PREN=22 + (3.3 x 3) + (16 x 0.17)=22 + 9.9 + 2.72=تقریباً 34.6

برای 316 لیتر: PREN=17 + (3.3 x 2.5) + (16 x 0)=17 + 8.25 + 0=تقریباً 25.3

PREN بالاتر از 32 عموماً برای خدمات قابل اعتماد آب دریا ضروری در نظر گرفته می شود. S32205 به راحتی از این آستانه فراتر می رود، در حالی که 316L کمتر است. در عمل، این بدان معناست که S32205 می‌تواند در محیط‌های دریایی، آب‌های شور، و جریان‌های فرآیند حامل کلرید، جایی که 316L دچار حمله حفره‌ای سریع می‌شود، استفاده شود.

جدول 6. مقایسه مقاومت در برابر خوردگی

چگونه S32205 و 316L از نظر مقاومت در برابر خوردگی در برابر استرس مقایسه می شوند؟

S32205 مقاومت قابل توجهی بهتری نسبت به ترک خوردگی تنش کلریدی (SCC) از خود نشان می دهد که به دلیل فاز فریت آن است که ذاتاً نسبت به ساختار کاملا آستنیتی 316L در برابر SCC مقاوم تر است.

ترک خوردگی تنش کلریدی یک مکانیسم شکست است که در آن تنش کششی همراه با قرار گرفتن در معرض کلرید باعث ایجاد ترک شکننده در فولادهای زنگ نزن آستنیتی می شود. گریدهای آستنیتی استاندارد (از جمله 316L) در دمای بالاتر از 60 درجه سانتیگراد در محیط‌های حاوی کلرید، مستعد ابتلا به SCC هستند.

فاز فریت در فولادهای زنگ نزن دوبلکس به سه دلیل کلیدی به عنوان مانعی برای انتشار ترک عمل می کند: (1) فریت تنش داخلی کمتری از کار سرد دارد. (2) مسیرهای ترک باید از مرزهای فاز عبور کنند و به انرژی بیشتری نیاز دارند. و (3) ساختار دو فازی از نوارهای لغزش مداوم که رشد ترک را تسهیل می‌کنند، جلوگیری می‌کند.

S32205 معمولاً تا حدود 150-200 درجه سانتیگراد در محلولهای کلرید در برابر SCC مقاومت می کند، در حالی که 316L ممکن است در دمای کمتر از 60 درجه سانتیگراد ترک بخورد. این امر S32205 را به انتخاب ترجیحی برای کاربردهای حاوی کلرید گرم مانند مبدلهای حرارتی، هاضمها و اجزای عملیاتی در دمای دریایی تبدیل می کند.

تفاوت جوش پذیری و ساخت چیست؟

جوشکاری و ساخت 316L با حداقل محدودیت‌های فرآیند آسان‌تر است، در حالی که S32205 به ورودی گرمای کنترل‌شده (معمولاً 0.5- 2.5 کیلوژول بر میلی‌متر)، انتخاب مناسب فلز پرکننده (به عنوان مثال ER2209) و بازرسی پس از جوش برای حفظ تعادل مطلوب آستنیت-فریت: 4% فریت (5-tar) نیاز دارد.

تفاوت جوش پذیری از نیاز تعادل فاز فولادهای زنگ نزن دوبلکس ناشی می شود:

جوش 316 لیتری:

• جوش پذیری عالی در تمامی فرآیندهای رایج (GTAW، GMAW، SMAW، FCAW، SAW)
• محدودیت خاصی برای ورودی گرما وجود ندارد
• محتوای کربن کم از ایجاد حساسیت در ناحیه تحت تأثیر گرما- جلوگیری می‌کند
• بدون نگرانی تعادل فاز -- فاز آستنیتی تک
• فلزات پرکننده به آسانی در دسترس و استاندارد شده (ER316L)

جوش S32205:

• قابل جوش با فرآیندهای استاندارد است اما نیاز به روش های جوشکاری واجد شرایط دارد
• گرمای ورودی باید کنترل شود (معمولاً 0.5-2.5 کیلوژول بر میلی متر) تا از تبدیل فاز مناسب اطمینان حاصل شود.
• گرمای ورودی خیلی کم منجر به فریت بیش از حد می شود (خطر شکنندگی)
• گرمای ورودی خیلی زیاد منجر به رشد بیش از حد دانه و بارش بین فلزی می شود
• فلزات پرکننده با محتوای نیکل بالاتر (به عنوان مثال، ER2209) باعث ایجاد آستنیت در فلز جوش می شود.
• ممکن است برای کاربردهای حیاتی، جوش{0} پس از محلول جوش مورد نیاز باشد
• دمای بین گذر باید محدود باشد (معمولا<150 C) to avoid intermetallic phase precipitation

خواص حرارتی S32205 و 316L چگونه متفاوت است؟

S32205 دارای ضریب انبساط حرارتی کمتری (CTE) تقریباً 13.0 x 10^-6 /C در مقایسه با 316L 16.0 x 10^-6 /C (20-100 C) است، که باعث کاهش اعوجاج حرارتی، خطر خستگی حرارتی و ترکیب آن با ساختار فولادی با ابعاد بدنه می‌شود.

تفاوت CTE سه مفهوم عملی مهم دارد:

1. اعوجاج حرارتی:

در کاربردهایی با چرخه دما، CTE بالاتر 316L به معنای تغییر ابعاد بیشتر است که می تواند باعث استرس در اتصالات ثابت و خستگی حرارتی شود. CTE پایین تر S32205 این اثرات را تقریباً 20٪ کاهش می دهد.

2. ساختارهای مختلط:

هنگامی که اجزای فولاد ضد زنگ به سازه‌های فولاد کربنی (معمول در نفت و گاز، پردازش شیمیایی) متصل می‌شوند، CTE S32205 بسیار نزدیک‌تر به فولاد کربنی است (تقریباً 12×10^-6 /C) و تنش‌های انبساط دیفرانسیل را در جوش‌ها و اتصالات پیچ‌دار کاهش می‌دهد.

3. رسانایی حرارتی:

S32205 رسانایی حرارتی کمی پایین تری دارد (تقریباً 15 W/mK در مقابل{3}} W/mK برای 316L)، که به طور جزئی بر انتقال حرارت در کاربردهای مبدل حرارتی تأثیر می‌گذارد، اما عموماً یک عامل تعیین کننده در انتخاب مواد نیست.

جدول 7. مقایسه خواص حرارتی

پیامدهای هزینه انتخاب S32205 بیش از 316L چیست؟

S32205 معمولاً 20 تا 30 درصد بیشتر از 316 لیتر به ازای هر کیلوگرم هزینه دارد، اما زمانی که صرفه جویی در وزن ناشی از استحکام بالاتر در نظر گرفته شود، کل هزینه مواد برای یک قطعه سازه تمام شده اغلب برابر یا کمتر از 316 لیتر است، با صرفه جویی اضافی در هزینه های حمل و نقل، نصب و فونداسیون.

تحلیل هزینه باید هم قیمت واحد و هم کل مصرف مواد را در نظر بگیرد:

هزینه مواد در هر کیلوگرم:

316 لیتر: قیمت پایه (100٪ مرجع)

S32205: تقریباً 120-130٪ از قیمت 316L

کل هزینه مواد برای عملکرد سازه معادل:

اگر یک عضو سازه در S32205 بتواند 40 تا 50 درصد سبک تر باشد (به دلیل استحکام تسلیم بالاتر) در حالی که بار یکسان را حمل می کند، محاسبه به این صورت می شود: وزن S32205 (0.55) x حق بیمه قیمت (1.25)=0.69 یا 69 درصد از هزینه 316L. این باعث صرفه جویی در هزینه خالص مواد تقریباً 30٪ می شود.

مزایای اضافی هزینه کاهش وزن:

کاهش هزینه های حمل و نقل و جابجایی

سازه ها و پایه های نگهدارنده سبک تر

نیاز به تجهیزات نصب کمتر

کاهش تعمیرات طولانی مدت-به دلیل مقاومت در برابر خوردگی بالا

عوامل هزینه بر 316 لیتر:

روش های ساده جوشکاری هزینه های کار ساخت را کاهش می دهد

به طور گسترده ای از موجودی های سهام در دسترس است

هزینه های فلز پرکننده کمتر

الزامات بازرسی و کنترل کیفیت کمتر سختگیرانه

کدام برنامه ها برای هر ماده مناسب تر هستند؟

S32205 برای کاربردهای حساس-استحکام، خوردگی- مانند مخازن تحت فشار، سکوهای دریایی، مبدل‌های حرارتی، و مخازن ذخیره‌سازی مواد شیمیایی بهینه است، در حالی که 316L در کاربردهایی که نیاز به جوشکاری گسترده، شکل‌دهی پیچیده، چقرمگی برودتی یا جاهایی که به حداقل رساندن هزینه اولیه مواد اولیه است، برتر است.

انتخاب به ترکیب خاصی از الزامات مکانیکی، خوردگی، ساخت و اقتصادی بستگی دارد. جدول زیر رتبه بندی مناسب بودن برنامه را خلاصه می کند:

جدول 8. مقایسه مناسب بودن برنامه

کدام فولاد ضد زنگ را برای طراحی سازه خود انتخاب کنید؟

زمانی که قدرت تسلیم، کاهش وزن و مقاومت در برابر خوردگی کلرید محرک های اولیه طراحی هستند، S32205 را انتخاب کنید. وقتی جوش‌پذیری، شکل‌پذیری، چقرمگی برودتی یا هزینه اولیه کمتر مواد در اولویت هستند، 316L را انتخاب کنید. برای اکثر کاربردهای سازه‌ای که توسط استحکام کنترل می‌شوند، S32205 عملکردی برتر-به-نسبت وزن و هزینه چرخه عمر کمتر ارائه می‌دهد.

ماتریس تصمیم زیر عوامل کلیدی را که باید در هنگام انتخاب بین این دو ماده برای طراحی سازه در نظر گرفت، خلاصه می کند:

جدول 9. ماتریس تصمیم گیری انتخاب مواد

خلاصه