Rury bez szwu odkształcane na gorąco AISI 321: zalety w wysokich temperaturach

Dlaczego AISI 321 jest odporny na uczulenie w wysokiej temperaturze

AISI 321 (UNS S32100) to austenityczna stal nierdzewna stabilizowana tytanem, zbudowana na bazie chromu i niklu 18-8. Tytan dodaje się w ilości co najmniej pięciokrotnie większej niż zawartość węgla i azotu, dzięki czemu węgiel jest wiązany w postaci węglika tytanu, a nie tworzy się węglik chromu na granicach ziaren. Ten jeden szczegół metalurgiczny wyjaśnia, dlaczego gatunek zachowuje swoją odporność na korozję międzykrystaliczną po spawaniu i po długiej ekspozycji w przedziale uczulenia 425-850 stopni, gdzie niestabilizowane stale austenityczne stopniowo tracą chrom ze stref granicznych ziaren.

Rury bez szwu produkowane z tego gatunku są rutynowo przeznaczone do pracy ciągłej w temperaturze 900 stopni i do pracy przerywanej do 925 stopni. Pod wpływem powtarzających się cykli termicznych jego utlenianie i pełzanie jest bardziej stabilne niż stali nierdzewnej 304 lub 316 stosowanych w tym samym zakresie temperatur i zachowuje wystarczającą plastyczność po długotrwałym starzeniu, aby prace produkcyjne, gięcie i naprawy w terenie były praktyczne.

Skład chemiczny rur bez szwu AISI 321

Poniższe limity analizy cieplnej odpowiadają standardowej chemii austenitycznej stosowanej do rur bez szwu TP321. Tytan wyraża się jako wielokrotność węgla i azotu, a nie jako stałą wartość, ponieważ efekt stabilizujący zależy od ilości węgla śródmiąższowego obecnego w cieple.

Element	Minimalna (%)	Maksimum (%)
Węgiel (C)	-	0.08
Mangan (Mn)	-	2.00
Fosfor (P)	-	0.045
Siarka (S)	-	0.030
Krzem (Si)	-	0.75
Chrom (Cr)	17.00	19.00
Nikiel (Ni)	9.00	12.00
Tytan (Ti)	5 x (C + N)	0.70

Właściwości mechaniczne rur bez szwu odkształcanych na gorąco

Rura odkształcana na gorąco jest wytwarzana poprzez wytłaczanie na gorąco, a następnie kontrolowane ciągnienie na zimno i wyżarzanie, co daje jednolitą, równoosiową strukturę ziaren i grubość ścianki wolną od szwu spawalniczego, która ogranicza ciśnienie znamionowe spawanej rury. Typowe wartości temperatury pokojowej dla stanu wyżarzonego podano poniżej.

Nieruchomość	Metryczny	Cesarski
Wytrzymałość na rozciąganie (min)	515 MPa	74,700 psi
Granica plastyczności 0,2% (min)	205 MPa	29,700 psi
Wydłużenie (min)	35%	35%
Twardość (Brinell, maks.)	217 HB	217 HB
Gęstość	7,92 g/cm3	0,286 funta/cal3
Zakres topnienia	1400-1425 stopni	2552-2597 stopni F

Działanie korozyjne w środowisku kwasów i chlorków

W środowisku kwaśnym i zawierającym chlorki gatunek zapewnia dobrą odporność na utlenianie, atak międzykrystaliczny i pękanie korozyjne naprężeniowe. Szczególną zaletą jest kwas azotowy, ponieważ stabilizowana struktura nie uwrażliwia się podczas spawania głowic i szpul, a rozcieńczony kwas siarkowy dobrze sobie radzi tam, gdzie temperatury i stężenia mieszczą się w opublikowanych krzywych izokorozyjnych. Odporność na korozję międzykrystaliczną zwykle sprawdza się za pomocą praktycznego testu przesiewowego E serii ASTM A262 po uwrażliwiającej obróbce cieplnej.

Dodatek tytanu nie powoduje, że stop staje się materiałem odpornym na chlorki. AISI 321 jest nadal gatunkiem austenitycznym o odporności na wżery równoważnej w tym samym ogólnym zakresie co 304, dlatego nie należy go wybierać do ciepłej wody morskiej lub stężonej solanki chlorkowej. Jego przewaga nad 304H w pracy z kwasem i parą w wysokiej temperaturze wynika ze stabilności granic ziaren, a nie z molibdenu, którego ten gatunek nie zawiera.

Normy, rozmiary i typowe zastosowania

Rury bez szwu odkształcane na gorąco w tym gatunku są dostarczane zgodnie z szeregiem równoważnych specyfikacji, a zamówienie zakupu powinno zawsze określać normę wymiarową i warunki obróbki cieplnej obok normy materiałowej.

ASTM A312 TP321 - Bezszwowa i spawana rura austenityczna do zastosowań wysokotemperaturowych i ogólnie korozyjnych

Rury bez szwu i spawane ASTM A269 TP321 - do zastosowań ogólnych

ASTM A213 T321 - Bezszwowe ferrytyczne i austenityczne rury kotła, przegrzewacza i wymiennika ciepła

EN 10216-5 i DIN 17456 - Europejskie specyfikacje rur ciśnieniowych bez szwu ze stali nierdzewnej

ASME B36.10M i B36.19M - wymiary rur stalowych spawanych i bez szwu kutych

Typowe zastosowania końcowe obejmują płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła, rury przegrzewacza i przegrzewacza wtórnego, kolektory wydechowe i złącza kompensacyjne, wężownice promienników pieca, linie śledzenia pary oraz wysokociśnieniowe rurociągi technologiczne w zakładach chemicznych i petrochemicznych, gdzie nieuniknione są cykle termiczne.

Często zadawane pytania

P: Jaka jest różnica między rurami ze stali nierdzewnej AISI 321 i 304?
AISI 321 zawiera tytan, który zapobiega wytrącaniu się węglika chromu podczas spawania i długotrwałej ekspozycji na wysoką temperaturę, dlatego jest lepszym wyborem w przypadku prac w podwyższonych temperaturach. 304 opierających się wyłącznie na kontroli węgla i zwykle ograniczających się do niższych temperatur roboczych.

P: Czy rury bez szwu 321 odkształcane na gorąco są mocniejsze niż rury ciągnione na zimno?
Rura odkształcana na gorąco zwykle zapewnia lepszą wytrzymałość i bardziej jednolitą strukturę ziaren, a ponieważ nie ma szwu spawalniczego, wytrzymuje wyższe ciśnienie niż rura spawana o tej samej grubości ścianki. Ciągnienie na zimno stosuje się w celu uzyskania węższych tolerancji wymiarowych i lepszego wykończenia powierzchni.

P: Jakie normy obejmują rury bez szwu AISI 321 odkształcane na gorąco?
Typowe normy obejmują ASTM A312, ASTM A213, ASTM A269, EN 10216-5 i DIN 17456. Tolerancje wymiarowe są zwykle pobierane z ASME B36.10M lub B36.19M.

P: Jakiego zakresu temperatur należy unikać podczas spawania 321?
Samo spawanie jest bezpieczne dla gatunku, jednak gotowego elementu nie należy przetrzymywać przez dłuższy czas w temperaturze 425-850 stopni, chyba że sprawdzono stabilizującą obróbkę cieplną, ponieważ długotrwałe narażenie w tym zakresie może nadal powodować zużycie dostępnego tytanu.

P: Czy AISI 321 można stosować w zastosowaniach z wodą morską?
To nie jest stop wody morskiej. Podobnie jak 304, nie zawiera dodatku molibdenu i jest podatny na korozję wżerową i szczelinową w ciepłym środowisku chlorkowym. W przypadku obecności chlorków właściwym wyborem jest gatunek zawierający molibden.

P: Jaka obróbka cieplna jest dostarczana w standardzie?
Rury dostarczane są w stanie wyżarzonym rozpuszczającym, zwykle utrzymywanym w temperaturze około 1040 stopni i hartowanym wodą lub szybko chłodzonym, co rozpuszcza węgliki i przywraca właściwości mechaniczne po wyżarzeniu.