Fattori che limitano le temperature operative
Le applicazioni tipiche che richiedono che i materiali duplex siano esposti a condizioni di temperatura elevata sono recipienti a pressione, pale/ventole di ventilatori o depuratori di gas di scarico.I requisiti per le proprietà dei materiali possono variare da un'elevata resistenza meccanica alla resistenza alla corrosione. La composizione chimica dei gradi discussi in questo articolo è elencata nella Tabella 1.
Decomposizione spinodale
La decomposizione spinodale (chiamata anche demiscelazione o storicamente infragilimento a 475 °C) è un tipo di separazione di fase nella fase ferritica, che avviene a temperature di circa 475 °C.L'effetto più pronunciato è un cambiamento nella microstruttura, che provoca la formazione della fase α´, che provoca l'infragilimento del materiale.Ciò, a sua volta, limita le prestazioni del prodotto finale.
La Figura 1 mostra il diagramma di transizione temperatura-tempo (TTT) per i materiali duplex studiati, con la decomposizione spinodale rappresentata nella regione di 475 °C.Va notato che questo diagramma TTT rappresenta una diminuzione della tenacità del 50% misurata mediante prove di resilienza su provini Charpy-V, che è generalmente accettata come indicazione di infragilimento.In alcune applicazioni potrebbe essere accettabile una maggiore diminuzione della tenacità, che modifica la forma del diagramma TTT.Pertanto, la decisione di fissare un particolare OT massimo dipende da quello che è considerato un livello accettabile di infragilimento, ovvero la riduzione della tenacità per il prodotto finale.Va menzionato che storicamente i grafici TTT venivano prodotti anche utilizzando una soglia prestabilita, come 27J.
Gradi legati più elevati
La Figura 1 mostra che l'aumento degli elementi di lega dal grado LDX 2101 verso il grado SDX 2507 porta ad un tasso di decomposizione più rapido, mentre il duplex magro mostra un inizio ritardato della decomposizione.L'impatto degli elementi di lega come il cromo (Cr) e il nichel (Ni) sulla decomposizione spinodale e sull'infragilimento è stato dimostrato da indagini precedenti.5–8 Questo effetto è ulteriormente illustrato nella Figura 2. Mostra che la decomposizione spinodale aumenta quando la temperatura viene aumentata da 300 a 350 °C ed è più rapida per il grado più legato SDX 2507 che per DX 2205 meno legato.
Questa comprensione può essere fondamentale per aiutare i clienti a decidere l'OT massimo adatto al grado e all'applicazione selezionati.
Determinazione della temperatura massima
Come accennato in precedenza, l'OT massimo per il materiale duplex può essere impostato in base alla diminuzione accettabile della resilienza.Tipicamente viene adottato l'OT corrispondente ad un valore di riduzione della tenacità del 50%.
OT dipende dalla temperatura e dall'ora
La pendenza nelle code delle curve nel diagramma TTT nella Figura 1 dimostra che la decomposizione spinodale non si verifica solo a una temperatura di soglia e si ferma al di sotto di tale livello.Si tratta piuttosto di un processo costante quando i materiali duplex sono esposti a temperature operative inferiori a 475 °C.È però anche chiaro che, a causa della minore velocità di diffusione, temperature più basse significano che la decomposizione inizierà più tardi e procederà molto più lentamente.Pertanto, l'utilizzo di materiale duplex a temperature più basse potrebbe non causare problemi per anni o addirittura decenni.Eppure attualmente si tende a fissare un OT massimo senza considerare il tempo di esposizione.La domanda chiave è quindi quale combinazione temperatura-tempo dovrebbe essere utilizzata per decidere se è sicuro utilizzare un materiale oppure no?Herzman et al.10 riassumono bene questo dilemma: “…L'utilizzo sarà quindi limitato a temperature alle quali la cinetica di demiscelazione è così bassa che non si verificherà durante la vita tecnica progettata del prodotto…”.
L'impatto della saldatura
La maggior parte delle applicazioni utilizza la saldatura per unire i componenti.È noto che la microstruttura della saldatura e la sua chimica variano rispetto al materiale di base 3 .A seconda del materiale d'apporto, della tecnica di saldatura e dei parametri di saldatura, la microstruttura delle saldature è per lo più diversa da quella del materiale sfuso.La microstruttura è normalmente più grossolana e comprende anche la zona interessata dal calore ad alta temperatura (HTHAZ), che influisce sulla decomposizione spinodale nelle saldature.La variazione della microstruttura tra massa e saldature è un argomento esaminato qui.
Riepilogo dei fattori limitanti
Le sezioni precedenti portano alle seguenti conclusioni:
- Tutti i materiali duplex sono soggetti
alla decomposizione spinodale a temperature intorno a 475 °C. - A seconda del contenuto della lega, è prevista una velocità di decomposizione più rapida o più lenta.Un contenuto più elevato di Cr e Ni favorisce una demiscelazione più rapida.
- Per impostare la temperatura massima di funzionamento:
– È necessario considerare una combinazione di tempo di funzionamento e temperatura.
– È necessario impostare un livello accettabile di diminuzione della tenacità, ovvero è necessario impostare un livello desiderato di tenacità finale - Quando vengono introdotti componenti microstrutturali aggiuntivi, come le saldature, l'OT massimo è determinato dalla parte più debole.
Standard globali
Per questo progetto sono stati rivisti diversi standard europei e americani.Si sono concentrati sulle applicazioni in recipienti a pressione e componenti di tubazioni.In generale, la discrepanza relativa all’OT massimo raccomandato tra gli standard esaminati può essere suddivisa in un punto di vista europeo e americano.
Le norme europee sulle specifiche dei materiali per gli acciai inossidabili (ad es. EN 10028-7, EN 10217-7) implicano un OT massimo di 250 °C poiché le proprietà del materiale sono garantite solo fino a questa temperatura.Inoltre, gli standard di progettazione europei per recipienti a pressione e tubazioni (EN 13445 e EN 13480, rispettivamente) non forniscono ulteriori informazioni sull'OT massimo rispetto a quanto indicato nei loro standard sui materiali.
Al contrario, la specifica americana dei materiali (ad es. ASME SA-240 della sezione ASME II-A) non presenta alcun dato relativo alla temperatura elevata.Questi dati sono invece forniti nella sezione ASME II-D, "Proprietà", che supporta i codici di costruzione generali per i recipienti a pressione, sezione ASME VIII-1 e VIII-2 (questi ultimi offrono un percorso di progettazione più avanzato).Nell'ASME II-D, il OT massimo è esplicitamente indicato come 316 °C per la maggior parte delle leghe duplex.
Per le applicazioni con tubazioni in pressione, sia le regole di progettazione che le proprietà dei materiali sono fornite nella norma ASME B31.3.In questo codice vengono forniti i dati meccanici per le leghe duplex fino a 316 °C senza una chiara indicazione del OT massimo.Tuttavia è possibile interpretare le informazioni in modo che siano conformi a quanto scritto nella norma ASME II-D e quindi l'OT massimo per gli standard americani è nella maggior parte dei casi 316 °C.
Oltre alle informazioni sull'OT massimo, sia gli standard americani che quelli europei implicano che vi sia il rischio di incontrare infragilimento a temperature elevate (>250 °C) con tempi di esposizione più lunghi, che quindi dovrebbero essere considerati sia nella fase di progettazione che in quella di servizio.
Per le saldature, la maggior parte degli standard non fornisce alcuna dichiarazione definitiva sull'impatto della decomposizione spinodale.Tuttavia alcune norme (es. ASME VIII-1, Tabella UHA 32-4) indicano la possibilità di eseguire specifici trattamenti termici post-saldatura.Queste non sono né richieste né vietate, ma nell'eseguirle dovrebbero essere eseguite secondo parametri prestabiliti dalla norma.
Cosa dice l'industria
Le informazioni prodotte da diversi altri produttori di acciaio inossidabile duplex sono state esaminate per vedere cosa comunicano riguardo agli intervalli di temperatura per i loro gradi.2205 è limitato a 315 °C dall'ATI, ma Acerinox fissa l'OT per lo stesso grado a soli 250 °C.Questi sono i limiti OT superiore e inferiore per il grado 2205, mentre nel mezzo questi altri OT vengono comunicati da Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) e ArcelorMittal (280 °C).Ciò dimostra la diffusione degli OT massimi suggeriti solo per un grado che possiederà proprietà molto comparabili da produttore a produttore.
Non sempre viene rivelata la motivazione di fondo sul motivo per cui un produttore ha fissato un determinato OT.Nella maggior parte dei casi, ciò si basa su uno standard particolare.Standard diversi comunicano OT diversi, da qui la diffusione dei valori.La conclusione logica è che le aziende americane fissano un valore più alto in base alle indicazioni dello standard ASME, mentre le aziende europee fissano un valore più basso in base allo standard EN.
Di cosa hanno bisogno i clienti?
A seconda dell'applicazione finale, sono previsti diversi carichi ed esposizioni dei materiali.In questo progetto, l'infragilimento dovuto alla decomposizione spinodale è stato di grande interesse poiché è molto applicabile ai recipienti a pressione.
Tuttavia, esistono varie applicazioni che espongono i tipi duplex solo a carichi meccanici medi, come gli scrubber11–15.Un'altra richiesta riguardava le pale e le giranti dei ventilatori, che sono esposte a carichi di fatica.La letteratura mostra che la decomposizione spinodale si comporta diversamente quando viene applicato un carico di fatica15.A questo punto risulta chiaro che l'OT massimo di queste applicazioni non può essere fissato allo stesso modo dei recipienti a pressione.
Un'altra classe di richieste riguarda esclusivamente le applicazioni legate alla corrosione, come gli scrubber dei gas di scarico marini.In questi casi, la resistenza alla corrosione è più importante della limitazione OT sotto carico meccanico.Entrambi i fattori, tuttavia, influiscono sul funzionamento del prodotto finale, di cui occorre tenere conto quando si indica l'OT massimo.Ancora una volta, questo caso differisce dai due casi precedenti.
Nel complesso, quando si consiglia a un cliente l'OT massimo adatto per la sua qualità duplex, il tipo di applicazione è di vitale importanza per impostare il valore.Ciò dimostra ulteriormente la complessità di impostare un singolo OT per un grado, poiché l’ambiente in cui viene utilizzato il materiale ha un impatto significativo sul processo di infragilimento.
Qual è la temperatura operativa massima per il duplex?
Come accennato, la temperatura operativa massima è determinata dalla cinetica molto bassa della decomposizione spinodale.Ma come misuriamo questa temperatura e cosa si intende esattamente per “bassa cinetica”?La risposta alla prima domanda è facile.Abbiamo già affermato che le misurazioni della tenacità vengono comunemente eseguite per stimare la velocità e il progresso della decomposizione.Questo è stabilito negli standard seguiti dalla maggior parte dei produttori.
La seconda domanda, su cosa si intende per bassa cinetica e il valore al quale fissiamo un limite di temperatura, è più complessa.Ciò è in parte dovuto al fatto che le condizioni al contorno della temperatura massima sono ricavate sia dalla temperatura massima (T) stessa che dal tempo di funzionamento (t) durante il quale questa temperatura viene mantenuta.Per convalidare questa combinazione Tt, si possono utilizzare varie interpretazioni della tenacità “più bassa”:
• Il limite inferiore, fissato storicamente e che può essere applicato per le saldature, è 27 Joule (J)
• Negli standard la maggior parte dei 40J sono fissati come limite.
• Per impostare il limite inferiore viene spesso applicata anche una riduzione del 50% della tenacità iniziale.
Ciò significa che una dichiarazione sull’OT massimo deve basarsi su almeno tre presupposti concordati:
• Esposizione temperatura-tempo del prodotto finale
• Il valore minimo accettabile di tenacità
• Campo di applicazione finale (solo chimica, carico meccanico sì/no ecc.)
Conoscenza sperimentale unita
A seguito di un'ampia indagine di dati sperimentali e standard è stato possibile compilare raccomandazioni per i quattro gradi duplex in esame, vedere Tabella 3. Va riconosciuto che la maggior parte dei dati deriva da esperimenti di laboratorio eseguiti con intervalli di temperatura di 25 °C .
È opportuno inoltre precisare che tali raccomandazioni fanno riferimento ad almeno il 50% della tenacità rimanente a RT.Quando nella tabella è indicato “periodo di tempo più lungo” non è stata documentata alcuna diminuzione significativa a RT.Inoltre la saldatura è stata testata solo a -40 °C.Infine, va notato che per il DX 2304 è previsto un tempo di esposizione più lungo, considerando la sua elevata tenacità dopo 3.000 ore di test.Tuttavia, fino a che punto l'esposizione può essere aumentata deve essere verificata con ulteriori test.
Ci sono tre punti importanti da notare:
• I risultati attuali indicano che se sono presenti saldature, l'OT diminuisce di circa 25 °C.
• Picchi di temperatura a breve termine (decine di ore a T=375 °C) sono accettabili per DX 2205. Poiché DX 2304 e LDX 2101 sono qualità meno legate, dovrebbero essere accettabili anche picchi di temperatura comparabili a breve termine.
• Quando il materiale è fragile a causa della decomposizione, il trattamento termico di mitigazione a 550 – 600 °C per DX 2205 e 500 °C per SDX 2507 per 1 ora aiuta a recuperare la tenacità del 70%.
Orario di pubblicazione: 04-febbraio-2023