요인으로 인해 작동 온도가 제한됨
듀플렉스 재료를 고온 조건에 노출시켜야 하는 일반적인 응용 분야로는 압력 용기, 팬 블레이드/임펠러 또는 배기가스 스크러버가 있습니다.재료 특성에 대한 요구 사항은 높은 기계적 강도부터 내부식성까지 다양합니다. 이 기사에서 논의된 등급의 화학적 조성은 표 1에 나열되어 있습니다.
스피노달 분해
스피노달 분해(역혼합 또는 역사적으로 475°C-취화라고도 함)는 페라이트 상의 상 분리 유형으로, 약 475°C의 온도에서 발생합니다.가장 두드러진 효과는 미세 구조의 변화로, α' 상이 형성되어 재료가 부서지기 쉽습니다.이는 결과적으로 최종 제품의 성능을 제한합니다.
그림 1은 연구된 이중 재료에 대한 온도 시간 전이(TTT) 다이어그램을 보여주며, 스피노달 분해는 475°C 영역에서 나타납니다.이 TTT 다이어그램은 일반적으로 취성을 나타내는 것으로 인정되는 Charpy-V 시편에 대한 충격 인성 테스트로 측정한 인성이 50% 감소했음을 나타냅니다.일부 응용 분야에서는 인성이 더 크게 감소하는 것이 허용될 수 있으며 이로 인해 TTT 다이어그램의 모양이 변경됩니다.따라서 특정 최대 OT를 설정하는 결정은 수용 가능한 취성 수준, 즉 최종 제품의 인성 감소로 간주되는 수준에 따라 달라집니다.역사적으로 TTT 그래프도 27J와 같은 설정된 임계값을 사용하여 생성되었다는 점을 언급해야 합니다.
더 높은 합금 등급
그림 1은 LDX 2101 등급에서 SDX 2507 등급으로 합금 원소의 증가가 더 빠른 분해 속도로 이어지는 반면, 희박 듀플렉스는 분해 시작이 지연되는 것을 보여줍니다.스피노달 분해 및 취성에 대한 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 같은 합금 원소의 영향은 이전 연구에서 나타났습니다.5-8 이 효과는 그림 2에 추가로 설명되어 있습니다. 온도가 증가하면 스피노달 분해가 증가한다는 것을 보여줍니다. 온도는 300°C에서 350°C로 증가하며 합금 함량이 낮은 DX 2205보다 합금 함량이 높은 SDX 2507의 속도가 더 빠릅니다.
이러한 이해는 고객이 선택한 등급 및 용도에 적합한 최대 OT를 결정하는 데 중요할 수 있습니다.
최대 온도 결정
앞서 언급한 바와 같이, 듀플렉스 재료의 최대 OT는 허용 가능한 충격 인성 저하에 따라 설정될 수 있습니다.일반적으로 50% 인성 감소 값에 해당하는 OT가 채택됩니다.
OT는 온도와 시간에 따라 다릅니다.
그림 1의 TTT 다이어그램에서 곡선 꼬리의 기울기는 스피노달 분해가 하나의 임계 온도에서만 발생하지 않고 해당 수준 아래에서 멈추는 것을 보여줍니다.오히려 듀플렉스 재료가 475°C 미만의 작동 온도에 노출되는 경우 이는 지속적인 공정입니다.그러나 확산 속도가 낮기 때문에 온도가 낮을수록 분해가 나중에 시작되고 훨씬 느리게 진행된다는 것도 분명합니다.따라서 더 낮은 온도에서 듀플렉스 재료를 사용해도 수년 또는 수십 년 동안 문제가 발생하지 않을 수 있습니다.그러나 현재는 노출 시간을 고려하지 않고 최대 OT를 설정하는 경향이 있습니다.따라서 중요한 질문은 재료를 사용하는 것이 안전한지 여부를 결정하기 위해 어떤 온도-시간 조합을 사용해야 합니까?Herzman et al.10은 이 딜레마를 다음과 같이 잘 요약했습니다. "…그러면 사용은 디믹싱 동역학이 너무 낮아 제품의 설계된 기술 수명 동안 발생하지 않는 온도로 제한됩니다…".
용접의 영향
대부분의 응용프로그램은 용접을 사용하여 부품을 결합합니다.용접 미세구조와 그 화학적 성질이 모재(3)에 따라 다르다는 것은 잘 알려져 있습니다.필러 재료, 용접 기술 및 용접 매개 변수에 따라 용접의 미세 구조는 대부분 벌크 재료와 다릅니다.미세 구조는 일반적으로 더 거칠며 여기에는 용접물의 스피노달 분해에 영향을 미치는 고온 열 영향부(HTHAZ)도 포함됩니다.벌크와 용접물 사이의 미세 구조 변화가 여기에서 검토되는 주제입니다.
제한 요소 요약
이전 섹션에서는 다음과 같은 결론을 내렸습니다.
- 모든 양면 재료는 대상입니다
약 475°C의 온도에서 스피노달 분해됩니다. - 합금 함량에 따라 분해 속도가 더 빠르거나 느려질 것으로 예상됩니다.Cr 및 Ni 함량이 높을수록 디믹싱 속도가 빨라집니다.
- 최대 작동 온도를 설정하려면:
– 작동 시간과 온도의 조합을 고려해야 합니다.
– 허용 가능한 인성 감소 수준, 즉 원하는 최종 인성 수준을 설정해야 합니다. - 용접과 같은 추가 미세 구조 구성 요소가 도입되면 최대 OT는 가장 약한 부분에 의해 결정됩니다.
글로벌 표준
이 프로젝트를 위해 여러 유럽 및 미국 표준이 검토되었습니다.그들은 압력 용기 및 배관 구성 요소의 응용 분야에 중점을 두었습니다.일반적으로 검토된 표준 간의 권장 최대 OT에 대한 불일치는 유럽과 미국의 관점으로 나눌 수 있습니다.
스테인리스강에 대한 유럽 재료 사양 표준(예: EN 10028-7, EN 10217-7)은 재료 특성이 이 온도까지만 제공된다는 사실에 따라 최대 OT가 250°C임을 의미합니다.더욱이, 압력 용기 및 배관에 대한 유럽 설계 표준(각각 EN 13445 및 EN 13480)은 재료 표준에 제공된 최대 OT에 대한 추가 정보를 제공하지 않습니다.
이와 대조적으로 미국 재료 사양(예: ASME 섹션 II-A의 ASME SA-240)에는 고온 데이터가 전혀 표시되지 않습니다.대신 이 데이터는 압력 용기, ASME 섹션 VIII-1 및 VIII-2(후자는 보다 고급 설계 경로 제공)에 대한 일반 건설 코드를 지원하는 ASME 섹션 II-D, '속성'에 제공됩니다.ASME II-D에서는 대부분의 이중 합금에 대해 최대 OT가 316°C로 명시적으로 명시되어 있습니다.
압력 배관 적용 분야의 경우 설계 규칙과 재료 특성이 모두 ASME B31.3에 나와 있습니다.이 코드에서는 최대 OT에 대한 명확한 설명 없이 최대 316°C의 이중 합금에 대한 기계적 데이터가 제공됩니다.그럼에도 불구하고 ASME II-D에 기록된 내용을 준수하도록 정보를 해석할 수 있으므로 미국 표준의 최대 OT는 대부분의 경우 316°C입니다.
최대 OT 정보 외에도 미국과 유럽 표준 모두 높은 온도(>250°C)에서 더 긴 노출 시간에 취성이 발생할 위험이 있음을 암시하므로 이는 설계 및 서비스 단계에서 모두 고려해야 합니다.
용접의 경우 대부분의 표준에서는 스피노달 분해의 영향에 대해 확고한 설명을 하지 않습니다.그러나 일부 표준(예: ASME VIII-1, 표 UHA 32-4)은 특정 용접 후 열처리를 수행할 가능성을 나타냅니다.이는 필수 사항도 금지 사항도 아니지만, 이를 수행할 때는 표준에 미리 설정된 매개변수에 따라 수행해야 합니다.
업계가 말하는 것
여러 듀플렉스 스테인리스강 제조업체가 제공한 정보를 검토하여 해당 등급의 온도 범위와 관련하여 어떤 내용을 전달하는지 확인했습니다.2205는 ATI에 의해 315°C로 제한되지만 Acerinox는 동일한 등급에 대해 OT를 250°C로 설정합니다.이는 등급 2205의 OT 상한 및 하한이며, 그 사이에 다른 OT가 Aperam(300°C), Sandvik(280°C) 및 ArcelorMittal(280°C)에 의해 전달됩니다.이는 제조업체마다 매우 유사한 특성을 보유하는 한 등급에 대해서만 제안된 최대 OT가 널리 퍼져 있음을 보여줍니다.
제조업체가 특정 OT를 설정한 이유에 대한 배경 추론이 항상 공개되는 것은 아닙니다.대부분의 경우 이는 하나의 특정 표준을 기반으로 합니다.서로 다른 표준은 서로 다른 OT를 전달하므로 가치가 확산됩니다.논리적인 결론은 미국 기업이 ASME 표준의 설명으로 인해 더 높은 값을 설정하는 반면, 유럽 기업은 EN 표준으로 인해 더 낮은 값을 설정한다는 것입니다.
고객에게 필요한 것은 무엇입니까?
최종 적용에 따라 재료의 다양한 하중과 노출이 예상됩니다.이 프로젝트에서는 척수 분해로 인한 취성이 압력 용기에 매우 적용 가능하므로 가장 큰 관심을 끌었습니다.
그러나 스크러버11-15와 같이 이중 등급을 중간 기계적 부하에만 노출시키는 다양한 응용 분야가 있습니다.또 다른 요청은 피로 하중에 노출되는 팬 블레이드 및 임펠러와 관련이 있었습니다.문헌은 피로 하중이 적용될 때 척수 분해가 다르게 행동한다는 것을 보여줍니다15.이 단계에서는 이러한 응용 분야의 최대 OT를 압력 용기와 동일한 방식으로 설정할 수 없다는 것이 분명해졌습니다.
또 다른 종류의 요청은 해양 배기 가스 세정기와 같은 부식 관련 응용 분야에만 해당됩니다.이러한 경우 기계적 부하에 따른 OT 제한보다 내식성이 더 중요합니다.그러나 두 요소 모두 최종 제품의 작동에 영향을 미치므로 최대 OT를 표시할 때 이를 고려해야 합니다.다시 말하지만, 이 사례는 이전 두 사례와 다릅니다.
전반적으로 고객에게 듀플렉스 등급에 적합한 최대 OT를 조언할 때 적용 유형은 값 설정에 있어 매우 중요합니다.이는 재료가 배치되는 환경이 취성 공정에 상당한 영향을 미치기 때문에 등급에 대한 단일 OT 설정의 복잡성을 추가로 보여줍니다.
듀플렉스의 최대 작동 온도는 얼마입니까?
언급한 바와 같이, 최대 작동 온도는 스피노달 분해의 매우 낮은 동역학에 의해 설정됩니다.하지만 이 온도를 어떻게 측정하며 "낮은 동역학"이란 정확히 무엇입니까?첫 번째 질문에 대한 대답은 쉽습니다.우리는 분해 속도와 진행 상황을 추정하기 위해 인성 측정이 일반적으로 수행된다는 점을 이미 언급했습니다.이는 대부분의 제조업체가 따르는 표준에 설정되어 있습니다.
낮은 동역학의 의미와 온도 경계를 설정하는 값에 대한 두 번째 질문은 더 복잡합니다.이는 부분적으로 최대 온도의 경계 조건이 최대 온도(T) 자체와 이 온도가 유지되는 작동 시간(t) 모두로부터 구성되기 때문입니다.이 Tt 조합을 검증하기 위해 "최저" 인성에 대한 다양한 해석을 사용할 수 있습니다.
• 역사적으로 설정되고 용접에 적용될 수 있는 하한은 27줄(J)입니다.
• 표준 내에서는 대부분 40J가 한계로 설정되어 있습니다.
• 초기 인성 50% 감소는 하한값 설정에도 자주 적용됩니다.
이는 최대 OT에 대한 설명이 최소한 세 가지 합의된 가정을 기반으로 해야 함을 의미합니다.
• 최종 제품의 온도-시간 노출
• 허용 가능한 최소 인성 값
• 최종 적용 분야(화학만, 기계적 부하 예/아니요 등)
융합된 실험 지식
실험 데이터 및 표준에 대한 광범위한 조사를 통해 검토 중인 4가지 듀플렉스 등급에 대한 권장 사항을 정리하는 것이 가능했습니다(표 3 참조). 대부분의 데이터는 25°C의 온도 단계에서 수행된 실험실 실험에서 생성되었다는 점을 인식해야 합니다. .
또한 이러한 권장 사항은 RT에서 남아 있는 인성의 최소 50%를 참조한다는 점에 유의해야 합니다.표에 "더 긴 기간"이 표시되면 RT에서 유의미한 감소가 문서화되지 않았습니다.게다가 용접은 -40°C에서만 테스트되었습니다.마지막으로, DX 2304의 경우 3,000시간의 테스트 후 높은 인성을 고려하여 더 긴 노출 시간이 예상된다는 점에 유의해야 합니다.그러나 노출이 어느 정도까지 증가할 수 있는지는 추가 테스트를 통해 확인해야 합니다.
주의해야 할 세 가지 중요한 사항이 있습니다.
• 현재 연구 결과에 따르면 용접이 있는 경우 OT가 약 25°C 감소합니다.
• DX 2205에는 단기 스파이크(T=375°C에서 수십 시간)가 허용됩니다. DX 2304 및 LDX 2101은 합금 등급이 낮기 때문에 비슷한 단기 온도 스파이크도 허용됩니다.
• 분해로 인해 재료가 취화되는 경우, DX 2205의 경우 550~600°C, SDX 2507의 경우 500°C에서 1시간 동안 완화열처리하면 인성을 70% 회복하는 데 도움이 됩니다.
게시 시간: 2023년 2월 4일