304H ve 321H: Yüksek-Sıcaklıktaki Basınçlı Kaplar için Karbon İçeriği ve Sürünme Mukavemeti

giriiş

Mühendisler, yüksek-sıcaklık hizmeti-rafineri ısıtıcıları, kazan kızdırıcıları, katalitik parçalayıcılar ve ısı eşanjörleri- için basınçlı kaplar tasarlarken sürekli olarak bir soruyla karşılaşırlar: 304H'yi mi yoksa 321H'yi mi belirtmeliler? Her ikisi deöstenitik paslanmaz çeliklerGeliştirilmiş sürünme performansı için kontrollü yükseltilmiş karbonu belirten "H" son ekini taşır. Ancak stabilizasyon stratejisi, kaynaklanabilirlik ve uzun-vadeli güvenilirlik açısından farklılık gösterirler. Bu karşılaştırma, karbon içeriğini, sürünme mukavemetini ve seçim kriterlerini sade bir dille ayrıştırır; böylece şartname hazırlayanlar kendinden emin, kod-uyumlu kararlar alabilir.

304H ve 321H Paslanmaz Çelikler Nedir?

304H ve 321H'nin her ikisi de 18Cr-8Ni ailesindeki östenitik, krom-nikel paslanmaz çeliklerdir; "H" son eki, yüksek sıcaklıkta hizmet için optimize edilmiş kontrollü bir karbon aralığını (%0,04–0,10) belirtir. 321H ayrıca karbür stabilizasyonu için titanyum içerir.

Her iki kalite de aynı %17,0–19,0 krom ve %9,0–13,0 nikel bazlı kimyayı paylaşır. Ayrım, her birinin karbonu yüksek sıcaklıkta nasıl ele aldığında yatmaktadır:

304H (UNS S30409), standart 304'ün yüksek-karbonlu çeşididir. Kontrollü karbon içeriği (%0,04–0,10), ostenit matrisinde çözünmüş karbonun çözeltiyi- kuvvetlendirme katkısını artırarak alaşımı yüksek sıcaklıkta güçlendirir.

321H (UNS S32109), esasen 304 kimyası artı titanyum olan 321'in yüksek-karbonlu çeşididir. Titanyum tercihen karbonla bağlanarak kararlı titanyum karbürler (TiC) oluşturur ve tane sınırlarında krom karbür çökelmesini önler.

Her iki alaşım da ASTM A240/A240M (levha, levha, şerit), ASTM A312 (dikişsiz ve kaynaklı boru) ve ASME Kazan ve Basınçlı Kap Kodu (BPVC) Bölüm II kapsamına girer.

Ortak Cr ve Ni aralıkları, bunları-kaynaksız, stabilize edilmiş veya çözelti-sonradan-tavlanmış koşullar için korozyon direnci açısından geniş ölçüde birbirleriyle değiştirilebilir hale getirir.

Karbon İçeriği 304H ile 321H Arasında Nasıl Farklılaşır?

Karbon aralıkları her ikisi için de nominal olarak aynıdır-%0,04 ila %0,10; ancak 321H'nin titanyumu, karbonu TiC olarak "kilitler", dolayısıyla sürünme güçlendirmesi için mevcut etkili serbest karbon, 321H'de 304H'ye göre daha düşüktür.

ASTM A240'a göre hem 304H hem de 321H %0,04 ile %0,10 arasında karbon gerektirir. Alt sınır, minimum sürünme-güçlendirme etkisini garanti eder; üst sınır, matrisi kırılganlaştıran aşırı karbür ağı oluşumunu önler. Ancak karbonun nasıl davrandığı farklıdır:

304H'de, çözelti tavlamasından sonra karbonun çoğu ostenit içinde çözünmüş olarak kalır ve katı-çözelti güçlendirmesine ve hizmet sırasında tanecik sınırlarını belirleyen karbür çökelmesine doğrudan katkıda bulunur.

321H'de titanyum (minimum 5 × C, tipik olarak %0,15-0,70) karbonla reaksiyona girerek kararlı TiC oluşturur. Bu, krom karbür (Cr₂₃C₆) çökeltmesi için mevcut karbonu azaltır ve aynı zamanda doğrudan matris güçlendirme için mevcut karbonu da azaltır.

Pratik sonuç: 304H genellikle biraz daha yüksek kısa-zamanla yükseltilmiş-sıcaklık akma mukavemeti sağlar çünkü katı çözeltide daha fazla karbon kalır, oysa 321H hassaslaşmaya karşı bağışıklık karşılığında bu güçlendirmenin bir kısmını feda eder.

Karbon Yüksek Sıcaklıklarda Sünme Dayanımını Nasıl Etkiler?

Östenitik paslanmaz çelikteki karbon, iki mekanizmayla (matrisin-katı-çözelti güçlendirilmesi ve taneciklerin-karbürlerle sınır sabitlenmesiyle-sürünme mukavemetini artırır ve karbon %0,04'ten %0,10'a doğru hareket ettikçe her iki etki de yoğunlaşır.

Sürünme, bir metal yüksek sıcaklıkta gerilim altında tutulduğunda meydana gelen, yavaş-zamana bağlı deformasyondur. Karbon savaşları iki cephede sürüyor:

Sağlam-çözüm güçlendirme. Çözünmüş karbon, ostenit kafesini bozar ve 0,5 Tₘ'nin (Kelvin cinsinden erime sıcaklığı) üzerindeki baskın sürünme mekanizmasının dislokasyon tırmanışına direnir-. 18Cr-8Ni östenit için 600-800 derecelik servis sıcaklıkları alaşımı doğrudan bu rejime yerleştirir.

Tane-sınır karbür pinleme. M₂₃C₆ (çoğunlukla Cr₂₃C₆) servis sırasında tane sınırlarında çökelir. Kontrollü bir dağılım pimleri tanecik sınırlarını belirler, kaymayı yavaşlatır ve kopma ömrünü uzatır. Ancak çok fazla karbür, alaşımı kırılganlaştıran ve bitişikteki kromu tüketen sürekli bir tane-sınır filmi oluşturur.

Stres-kopması verileri (ASME Bölüm II, Tablo 1A) getiriyi doğruluyor. 700 derece ve 100.000 saatte, 304H plaka (ASTM A240) için izin verilen gerilim değerleri, ürün formuna ve tam karbon/titanyum dengesine bağlı olarak tipik olarak 321H plakanın değerlerini kabaca %5-15 oranında aşar. Bu, 304H'deki daha yüksek serbest karbonun doğrudan ölçülebilir sonucudur.

Titanyum 321H'de Nasıl Bir Rol Oynar?

321H'deki titanyum bir karbon temizleyici görevi görerek Cr₂₃C₆ çökelmesini önleyen kararlı TiC oluşturur, böylece tane-sınır kromunu korur ve kaynak sonrasında ısıdan-etkilenen bölgedeki (HAZ) hassasiyeti ortadan kaldırır.

Stabilizasyon oranı, Ti 5 × C'ye eşit veya daha büyük (ASTM A240) olarak tanımlanır. %0,06'lık (orta-aralık) karbonla, gereken minimum titanyum %0,30'dur ve tipik spesifikasyonlar, bir stabilizasyon rezervi sağlamak için %0,30-0,60'ı hedefler.

TiC termodinamik olarak Cr₂₃C₆'den daha kararlıdır. Çözelti tavlaması sırasında oluşur (1050–1100 derece) ve servis boyunca varlığını sürdürür, bu nedenle krom karbür, alaşımın serviste veya HAZ'da karşılaştığı 450–850 derecelik hassasiyet penceresinde oluşamaz.

Bu nedenle 321H, tanecikler arası korozyon direncini eski haline getirmek için-kaynak sonrası çözelti tavlaması gerektirmez-bu, fırında tavlamanın pratik olmadığı yerde-sahada kurulan kaplar ve büyük-çaplı borular için bir avantajdır.

Takas:-titanyum aynı zamanda sürünme güçlendirmesine katkıda bulunabilecek karbonu da bağlar ve titanyum nitrit/karbonitrit kalıntıları oda sıcaklığında çentik dayanıklılığını azaltabilir.

Hangi Çelik Daha İyi Sürünme Dayanımına Sahiptir: 304H veya 321H?

304H, ana metalde 600 derece ve üzerinde 321H'den ölçülebilir derecede daha yüksek sürünme-kopma mukavemetine sahiptir, çünkü karbonunun daha fazlası katı-çözelti güçlendirme ve tane-sınır sabitleme için kullanılabilir; ancak 321H, kaynak HAZ'da gücünü daha iyi korur; burada 304H, hassaslaşma yoluyla karbon güçlenmesini- kaybedebilir.

Karşılaştırma iki rejime (-adi metal ve kaynak HAZ-) ayrılıyor ve farklı kaliteleri tercih ediyorlar:

Taban-metal kayması-kırılması. ASME Kod Durumu ve Bölüm II izin verilen gerilim tabloları, 538 dereceden (1000 derece F) 816 dereceye (1500 derece F) kadar sürekli olarak 304H'ye 321H'ye eşit veya daha yüksek izin verilen gerilimi verir. 704 derece (1300 derece F) ve 100.000 saatte, 304H plakanın izin verilen gerilimi tipik olarak 321H plakadan %10-12 daha yüksektir.

Kaynak-HAZ davranışı. 304H'de HAZ, kaynak sırasında karbürün çözünmesine ve soğuma sırasında yeniden çökelmeye maruz kalır. Soğutma yavaşsa (kalın bölümler), yerel olarak krom bakımından tükenen ve sürünmede zayıflayan hassaslaşmış bir bölge oluşur. 321H'de titanyum, tercihen TiC'yi yeniden şekillendirerek tane-sınır bütünlüğünü ve HAZ sürünme mukavemetini korur.

Pratik çıkarım: Kesintisiz, ince-duvarlı bileşenler (boru, ince boru) için, 304H'nin daha yüksek taban-metal sürünme mukavemeti genellikle kazanır. Kalın-duvarlı, kaynaklı veya sahada-yapılan basınçlı kaplar için, 321H'nin kaynak-HAZ stabilitesi genellikle yaşam-döngüsü argümanını kazanır.

Hassasiyet ve Tanelerarası Korozyon Direnci Açısından Nasıl Karşılaştırılırlar?

321H, hassaslaşmaya ve tanecikler arası korozyona (IGC) karşı 304H'ye göre çok daha dayanıklıdır, çünkü titanyum stabilizasyonu, 425–900 derece aralığında 304H hassasiyetini tetikleyen krom- tükenme mekanizmasını önler.

Hassaslaşma, tane sınırlarında krom karbür çökelmesinin neden olduğu korozyon direncinin kaybıdır. İki sınıf bunu çok farklı şekilde ele alıyor:

Hassaslaştırma mekanizması. 304H yavaş-425-900 dereceye kadar soğutulduğunda, Cr₂₃C₆ tane sınırlarında çökelir. Bitişikteki krom %10,5 pasifleştirme eşiğinin altına düşer ve bu bölgeleri asidik veya klorür- içeren ortamlarda IGC'ye karşı savunmasız bırakır.

321H bağışıklık. TiC daha yüksek sıcaklıkta oluşur ve Cr₂₃C₆'den daha stabildir, dolayısıyla krom karbürler oluşamaz ve tane sınırları tam krom içeriğini korur. Alaşım, hassaslaştırma ısıl işleminden sonra bile ASTM A262 Uygulama A/E testlerini geçer.

Hizmet alaka düzeyi. Rafineri ekşi servisinde, kapatmalar sırasında politiyonik asit (PTA) çatlaması, hassaslaştırılmış 304H için bilinen bir arıza modudur. NACE SP0170, PTA çatlamasına maruz kalan ekipmanlar için 304H'nin üzerinde stabilize kaliteleri (321H, 347H) açıkça önerir.

Huey testi (ASTM A262 Uygulama C). 304H genellikle kaynak işleminden sonra çözelti tavlamanın geçmesini gerektirir; 321H kaynaklanmış durumdayken- geçer.

304H ve 321H için ASME ve ASTM Standartları Nelerdir?

Her iki alaşım da esasen aynı ASTM malzeme spesifikasyonları ve ASME BPVC Bölüm II izin verilen-gerilme tablolarına tabidir, ancak belirli UNS tanımı, stabilizasyon gereklilikleri ve ürün-form kapsamı farklıdır.

Aşağıdaki tablo, her sınıf için geçerli standartları ve temel gereklilikleri özetlemektedir:

Her iki sınıf için ASME'nin izin verilen-gerilim temeli (Bölüm II, Ek 1) şunlardan düşüktür: (1) sıcaklıkta %0,2 verimin üçte ikisi-, (2) 100.000 saatte %1 sünme oluşturacak ortalama gerilimin %100'ü veya (3) 100.000 saatte kopmaya kadar ortalama gerilimin %67'si. Yaklaşık 538 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda, sürünme-kopma kriteri baskın olur-, dolayısıyla 304H'nin daha yüksek sürünme mukavemeti, doğrudan ana metalde izin verilen daha yüksek gerilim anlamına gelir.

Kaynak Konuları Nasıl Farklılaşır?

321H'nin kalın bölümler ve saha imalatı için kaynaklanması daha kolaydır çünkü kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) olmadan hassaslaşmaya karşı direnç gösterir; oysa 304H, korozyon direncini yeniden sağlamak için kaynak sonrası çözelti tavlaması gerektirebilir; 321H ayrıca özel bir dolgu maddesi gerektirir.

Yüksek-karbonlu östenitik paslanmaz çeliğin kaynaklanması, iki kalitenin en keskin biçimde farklılaştığı yerdir:

Dolgu metali. 304H genellikle ana metalin karbon aralığıyla eşleşen ER308H dolgu maddesiyle kaynaklanır. 321H, ER321 değil ER347 (niyobyum-stabilize) dolgu maddesiyle kaynaklanır çünkü titanyum ark boyunca iyi transfer olmaz; niyobyum kaynak metalinde eşdeğer stabilizasyon sağlar.

Kaynak sonrası hassasiyet. 304H HAZ, 425-900 dereceye kadar soğutma yavaşsa (kalın duvar, yüksek ısı girişi) hassaslaşır. Azaltma: 1050–1100 derecede çözelti tavlaması ve ardından hızlı söndürme-büyük basınçlı kaplar için pratik olmayan bir fırın işlemidir. 321H HAZ, TiC'nin tercihen yeniden-oluşması nedeniyle hassaslaşmaz.

PWHT gereksinimi. ASME Bölüm VIII, her iki sınıf için de PWHT'yi zorunlu kılmaz, ancak hizmet ortamları (ekşi, PTA, kostik) sıklıkla bunu gerektirir. 304H için gerekli PWHT tam çözelti tavlamasıdır; 321H için, 850–900 derecede gerilimin- hafifletilmesi genellikle yeterlidir ve tam tavlamanın bozulma riskini ortadan kaldırır.

Sıcak çatlama riski. Her iki kalite de kaynak metalinde %5-10 ferrit içeren östenitiktir, bu nedenle sıcak çatlama orta düzeydedir. 321H'nin titanyum nitrür kalıntıları, kontrollü ısı girişi ve pasolar arası sıcaklık gerektiren, oldukça kısıtlı bağlantılarda-çatlak başlatıcı görevi görebilir.

Basınçlı Kap Uygulamaları İçin Hangisi Daha İyi?

Evrensel bir kazanan yoktur; 304H, tasarımı temel-metal sürünme mukavemetinin belirlediği ince-duvarlı, yüksek-sıcaklık bileşenleri için tercih edilir (kızgın ısıtıcı tüpler, fırın bobinleri), 321H ise kaynak-HAZ bütünlüğünün ve korozyon direncinin (rafineri tamburları, reaktör içleri, katalitik kraker rejeneratörü) yönetildiği kalın-duvarlı, kaynaklı veya ekşi-servis basınçlı kaplar için tercih edilir kabuklar).

Doğru seçim, tasarımı gerçekte hangi arıza modunun yönettiğine bağlıdır. Aşağıdaki karar kılavuzunu kullanın:

Aşağıdaki durumlarda 304H'yi seçin:

Tasarım, sürünme-kopma gerilimi tarafından yönetilir ve bileşen kesintisizdir veya az sayıda kaynağa (tüp, boru, bobin) sahiptir.

Kaynak-sonrası tavlama mümkündür (atölye imalatı, küçük kaplar).

Hizmet oksitleyicidir, düşük-sülfürlüdür ve politiyonik asit içermez.

Minimum duvar kalınlığı ve ağırlığı birinci sınıf tasarım hedefleridir (izin verilen daha yüksek gerilim, daha ince duvar sağlar).

Aşağıdaki durumlarda 321H'yi seçin:

Kap kalın-duvarlı, sahada-kaynaklı veya fırınlama-tavlaması için çok büyük.

Hizmet, politiyonik asite (rafineri FCC, koklaştırıcı, hidro-işlemci) maruz kalmanın kapatılmasını içerir.

Tasarımın, hassasiyet-kaynaklı çatlama olmadan döngüsel sıcaklık servisine dayanması gerekir.

Kod veya son{0}kullanıcı spesifikasyonu (örneğin, NACE SP0170, API RP 939-A) istikrarlı bir notu zorunlu kılar.

Temel kural: Yaklaşık 538 derecenin altında, her iki derece de-belirtilen-standart 304/321 veya 316L'nin üzerindedir ve yeterlidir. 538 derece ile kabaca 750 derece arasında 304H genellikle sürünme{10}verimli bir seçimdir. 750 derecenin üzerinde 800H/HT, 310S veya nikel alaşımlarını (600/601) düşünün.

Maliyet Farkları Nelerdir?

321H, titanyum ilavesi, daha düşük değirmen üretim hacmi ve stabilizasyon oranına yönelik daha sıkı kalite-kontrol gereklilikleri nedeniyle birim ağırlık başına genellikle 304H'den %15-30 daha fazla maliyete sahiptir; ancak yaşam döngüsü maliyet analizi-PWHT, inceleme ve kesinti riski dahil edildiğinde genellikle 321H'yi tercih eder.

Malzeme fiyatı toplam sahip olma maliyetinin yalnızca bir bileşenidir. Arıza:

Ham-madde primi. Titanyum- içeren ferroalyajlar ve daha dar ısı kimyası penceresi (Ti, 5×C'ye eşit veya daha büyük olmalıdır ancak TiN kalıntılarına neden olacak kadar yüksek olmamalıdır) eritme maliyetini artırır.

Değirmen bulunabilirliği. 304H dünya çapında çok daha yüksek tonajda üretildiğinden teslim süresi ve fiyatlandırma daha rekabetçidir. 321H, daha az nitelikli üreticinin bulunduğu özel bir kalitedir.

İmalat maliyeti. 304H, kaynak sonrası tam çözelti tavlaması gerektirebilir-ek bir fırın döngüsü, nakliye ve olası bozulma yeniden işlemesi. 321H genellikle-kaynaklı veya gerilim-giderilir ve imalat maliyeti azalır.

Yaşam{0}döngüsü maliyeti. 304H PTA çatlamasından kaynaklanan plansız bir rafineri kesintisi, günde milyonlara mal olabilir. 321H'ye yönelik mütevazı malzeme primi, kesintilerin önlenmesinde sıklıkla defalarca geri kazanılır.

304H ve 321H Arasında Nasıl Seçim Yapılır: Karar Kontrol Listesi

Sıralı dört adımda seçimi yapın-(1) yöneten arıza modunu belirleyin, (2) sıcaklık penceresini kontrol edin, (3) kaynaklanabilirliği ve PWHT fizibilitesini değerlendirin, (4) kodu ve son-kullanıcı talimatlarını- onaylayın, ardından UNS'yi, ürün formunu ve stabilizasyon veya karbon testi gereksinimini belirtin.

Yapılandırılmış bir yaklaşım en yaygın spesifikasyon hatalarını önler:

Adım 1 - Yönetim arıza modunu tanımlayın. Sünme-kırılma hakimse (ince-duvar, yüksek-sıcaklık), yalın 304H. IGC/PTA çatlaması geçerliyse (kalın-duvar, kapanmaya maruz kalma), yalın 321H.

Adım 2 - Sıcaklık penceresini kontrol edin. 538 derecenin altında H-derecesine de gerek yoktur. 538 dereceden 750 dereceye kadar her ikisi de uygundur; 750 derecenin üzerinde alaşım ailesini yükseltin.

Adım 3 - Kaynaklanabilirliği/PWHT'yi değerlendirin. Kaynak sonrası-çözelti tavlaması pratik değilse (büyük saha-imalatlı kap), 321H'yi seçin. Eğer atölye-ince duvarlı-üretilmişse 304H'yi seçin.

Adım 4 - Kodu onaylayın ve-kullanıcı talimatlarını sonlandırın. NACE SP0170 (PTA kırma), API RP 939-A (rafineri ısıtıcı tüpleri) ve birçok operatör spesifikasyonu bu seçimi zorlamaktadır.

Daha sonra çizimde ve satın alma siparişinde şunları belirtin: UNS numarası, ASTM ürün özellikleri, H-sınıf karbon aralığı, stabilizasyon oranı (321H için) ve gerekli korozyon testi (ASTM A262).

Çözüm

304H ve 321H yakın metalurjik kuzenlerdir: her ikisi de yüksek-sıcaklık dayanımı için kontrollü yükseltilmiş karbon içeren 18Cr-8Ni östenitik paslanmaz çeliklerdir. Aralarındaki karar, üstün kaynak-HAZ stabilitesi ve korozyon direncine (321H) karşı tek bir-temel-metal sürünme mukavemetinin-karşılaştırılmasını sağlar. Tasarımda sürünmenin hakim olduğu ince duvarlı, dikişsiz, yüksek sıcaklık boruları için 304H genellikle doğru seçimdir.

Kalın-duvarlı, sahada-kaynaklı veya kapatılmış-açık basınçlı kaplar için 321H genellikle güvenilirlik ve kullanım ömrü-maliyeti açısından üstünlüğünü geri öder. Bu seçimi bilinçli olarak -ASME'nin izin verdiği-stres tablolarını, NACE ve API rehberliğini ve hizmet-ortam profilini-kullanarak yapan mühendisler, ilk seferde doğru alaşımı belirleyecek ve hizmet dışı kalan bir geminin maliyetli sürprizinden kaçınacaktır.