רוב המשתמשים יודעים שבמעל 250 מעלות צלזיוס, דרגות דופלקס יכולות להיות מושפעות משבירות הנגרמת על ידי פירוק עמוד השדרה.אבל האם 250 מעלות צלזיוס היא גבול מוחלט?מה ההשפעה של זמן החשיפה והאם רזה וסופר דופלקס מתנהגים אחרת?

גורמים הגבילו את טמפרטורות ההפעלה

יישומים אופייניים הדורשים חשיפה של חומרים דופלקסים לתנאי טמפרטורה גבוהים הם מכלי לחץ, להבי מאווררים/אימפלרים או מקרצפים של גז פליטה.הדרישות לתכונות החומר יכולות לנוע בין חוזק מכני גבוה לעמידות בפני קורוזיה. ההרכב הכימי של הציונים הנדונים במאמר זה מפורטים בטבלה 1.

פירוק ספינודאלי

פירוק ספינודאלי (המכונה גם demixing או היסטורית כ-475°C-שבירות) הוא סוג של הפרדת פאזות בשלב הפריטי, המתרחשת בטמפרטורות של כ-475°C.ההשפעה הבולטת ביותר היא שינוי במבנה המיקרו, הגורם להיווצרות של שלב α, מה שגורם לשבירת החומר.זה, בתורו, מגביל את הביצועים של המוצר הסופי.
איור 1 מציג את דיאגרמת מעבר זמן הטמפרטורה (TTT) עבור החומרים הדופלקסים שנחקרו, עם פירוק ספינודלי מיוצג באזור של 475 מעלות צלזיוס.יש לציין שדיאגרמת TTT זו מייצגת ירידה בקשיחות ב-50% הנמדדת על ידי בדיקת קשיחות השפעה על דגימות Charpy-V, מה שמקובל בדרך כלל כמצביע על שבירה.ביישומים מסוימים עשויה להיות מקובלת ירידה גדולה יותר בקשיחות, מה שמשנה את צורת דיאגרמת TTT.לכן, ההחלטה להגדיר OT מקסימלי מסוים תלויה במה שנחשב לרמה מקובלת של שבירות, כלומר הפחתת קשיחות למוצר הסופי.יש לציין כי היסטורית גרפי TTT הופקו גם באמצעות סף מוגדר, כגון 27J.

ציונים סגסוגים גבוהים יותר

איור 1 מראה שהעלייה של רכיבי סגסוג מדרגת LDX 2101 לכיוון SDX 2507 מובילה לקצב פירוק מהיר יותר, בעוד שדופלקס רזה מראה התחלה מאוחרת של פירוק.ההשפעה של יסודות סגסוגת כגון כרום (Cr) וניקל (Ni) על פירוק ושבירות עמוד השדרה הוכחה על ידי מחקרים קודמים. 5-8 השפעה זו מומחשת עוד באיור 2. היא מראה כי פירוק ספינודלי מוגבר כאשר הטמפרטורה גדל מ-300 ל-350 מעלות צלזיוס ומהיר יותר עבור SDX 2507 בדרגת סגסוגת גבוהה יותר מאשר עבור DX 2205 פחות סגסוגת.
הבנה זו יכולה להיות חיונית בסיוע ללקוחות להחליט על ה-OT המקסימלי המתאים לדרגה וליישום שנבחרו.

קביעת טמפרטורה מקסימלית

כפי שהוזכר קודם, ניתן להגדיר את ה-OT המקסימלי עבור חומר דופלקס בהתאם לירידה המקובלת בקשיחות ההשפעה.בדרך כלל, ה-OT המתאים לערך של 50% הפחתת קשיחות מאומצת.

OT תלוי בטמפ' וזמן

השיפוע בזנבות העקומות בדיאגרמת TTT באיור 1 מדגים כי פירוק ספינודלי אינו מתרחש רק בטמפרטורת סף אחת ועוצר מתחת לרמה זו.במקום זאת, זהו תהליך קבוע כאשר חומרים דופלקסים נחשפים לטמפרטורות עבודה מתחת ל-475 מעלות צלזיוס.עם זאת ברור גם שבגלל שיעורי הדיפוזיה הנמוכים יותר, טמפרטורות נמוכות יותר אומרות שהפירוק יתחיל מאוחר יותר ויתקדם הרבה יותר לאט.לכן, שימוש בחומר דופלקס בטמפרטורות נמוכות יותר עלול לא לגרום לבעיות במשך שנים או אפילו עשרות שנים.אולם כיום יש נטייה להגדיר OT מקסימלי ללא התחשבות בזמן החשיפה.שאלת המפתח היא אפוא באיזה שילוב טמפרטורה-זמן יש להשתמש כדי להחליט אם זה בטוח להשתמש בחומר או לא?הרצמן וחב'10 מסכמים את הדילמה הזו בצורה יפה: "...השימוש יהיה מוגבל אז לטמפרטורות שבהן הקינטיקה של דה-מיקס כל כך נמוכה שהיא לא תתרחש במהלך החיים הטכניים המעוצבים של המוצר...".

ההשפעה של ריתוך

רוב היישומים משתמשים בריתוך כדי לחבר רכיבים.ידוע היטב כי מבנה הריתוך והכימיה שלו משתנים מחומר הבסיס 3 .בהתאם לחומר המילוי, טכניקת הריתוך ופרמטרי הריתוך, המיקרו-מבנה של ריתוכים שונה בעיקר מהחומר בתפזורת.מבנה המיקרו הוא בדרך כלל גס יותר, וזה כולל גם את אזור מושפע החום בטמפרטורה גבוהה (HTHAZ), אשר משפיע על הפירוק הסנודלי בריתוכים.וריאציה של מבנה מיקרו בין בתפזורת לריתוכים הוא נושא שנסקר כאן.

סיכום גורמים מגבילים

הסעיפים הקודמים מובילים למסקנות הבאות:

• כל חומרי הדופלקס כפופים
  לפירוק ספינודלי בטמפרטורות סביב 475 מעלות צלזיוס.
• בהתאם לתכולת הסגסוגת, צפוי קצב פירוק מהיר יותר או איטי יותר.תוכן Cr ו-Ni גבוה יותר מקדם דה-מיקס מהיר יותר.
• כדי להגדיר את טמפרטורת הפעולה המקסימלית:
  – יש לשקול שילוב של זמן הפעולה והטמפרטורה.
  – רמה מקובלת של ירידה בקשיחות, כלומר יש להגדיר רמה רצויה של קשיחות סופית
• כאשר מרכיבים מיקרו-סטרוקטורליים נוספים, כגון ריתוכים, מוצגים, ה-OT המקסימלי נקבע על ידי החלק החלש ביותר.

סטנדרטים גלובליים

עבור פרויקט זה נבדקו מספר תקנים אירופאים ואמריקאים.הם התמקדו ביישומים בכלי לחץ ורכיבי צנרת.באופן כללי, ניתן לחלק את הפער לגבי OT מקסימלי מומלץ בין התקנים שנבדקו לעמדה אירופית ואמריקאית.
תקני מפרט החומר האירופי עבור פלדות אל חלד (למשל EN 10028-7, EN 10217-7) מרמזים על OT מקסימלי של 250 מעלות צלזיוס על ידי העובדה שתכונות החומר מסופקות רק עד לטמפרטורה זו.יתרה מכך, תקני התכנון האירופיים עבור מיכלי לחץ וצנרת (EN 13445 ו-EN 13480, בהתאמה) אינם נותנים מידע נוסף על OT מקסימלי ממה שניתן בתקנים החומריים שלהם.
לעומת זאת, מפרט החומר האמריקאי (למשל ASME SA-240 של ASME סעיף II-A) אינו מציג כלל נתוני טמפרטורות גבוהות.נתונים אלה מסופקים במקום זאת בסעיף ASME II-D, 'מאפיינים', התומך בקודי הבנייה הכלליים של מכלי לחץ, ASME סעיף VIII-1 ו-VIII-2 (האחרונים מציעים מסלול עיצוב מתקדם יותר).ב-ASME II-D, ה-OT המקסימלי מצוין במפורש כ-316 מעלות צלזיוס עבור רוב סגסוגות הדופלקס.
עבור יישומי צנרת לחץ, הן כללי התכנון והן תכונות החומר ניתנים ב-ASME B31.3.בקוד זה, נתונים מכניים מסופקים עבור סגסוגות דופלקס עד 316 מעלות צלזיוס ללא הצהרה ברורה של OT מקסימלי.עם זאת, אתה יכול לפרש את המידע כך שיתאים למה שכתוב ב-ASME II-D, ולפיכך, ה-OT המקסימלי עבור התקנים האמריקאיים הוא ברוב המקרים 316 מעלות צלזיוס.
בנוסף למידע ה-OT המקסימלי, הן התקנים האמריקאים והן האירופיים מרמזים על סיכון להתפרקות בטמפרטורות גבוהות (מעל 250 מעלות צלזיוס) בזמני חשיפה ארוכים יותר, אשר לאחר מכן יש לקחת בחשבון הן בשלב התכנון והן בשלב השירות.
עבור ריתוכים, רוב התקנים אינם מציגים הצהרות מוצקות על השפעת הפירוק הסנודלי.עם זאת, תקנים מסוימים (למשל ASME VIII-1, טבלה UHA 32-4) מציינים את האפשרות לבצע טיפולי חום ספציפיים לאחר ריתוך.אלו אינם חייבים ואינם אסורים, אך בעת ביצועם יש לבצעם על פי פרמטרים שנקבעו מראש בתקן.

מה שהתעשייה אומרת

מידע שהופק על ידי מספר יצרנים אחרים של נירוסטה דופלקס נבדק כדי לראות מה הם מתקשרים לגבי טווחי הטמפרטורה עבור הציונים שלהם.2205 מוגבל ל-315 מעלות צלזיוס על ידי ATI, אבל Acerinox מגדיר את ה-OT לאותה כיתה על 250 מעלות צלזיוס בלבד.אלו הם מגבלות ה-OT העליונות והתחתונות עבור דרגה 2205, בעוד שביניהם OTs אחרים מועברים על ידי Aperam (300 מעלות צלזיוס), Sandvik (280 מעלות צלזיוס) ו-ArelorMittal (280 מעלות צלזיוס).זה מדגים את הנפוצה של OTs מקסימליים המוצעים רק עבור כיתה אחת שתהיה בעלת תכונות דומות מאוד מיצרן ליצרן.
נימוק הרקע מדוע יצרן קבע OT מסוים לא תמיד מתגלה.ברוב המקרים, זה מבוסס על תקן מסוים אחד.סטנדרטים שונים מתקשרים OTs שונים, ומכאן ההתפשטות בערכים.המסקנה ההגיונית היא שחברות אמריקאיות קובעות ערך גבוה יותר עקב האמירות בתקן ASME, בעוד שחברות אירופאיות קובעות ערך נמוך יותר בשל תקן EN.

מה הלקוחות צריכים?

בהתאם ליישום הסופי, צפויים עומסים וחשיפות שונות של החומרים.בפרויקט זה, התפרקות עקב פירוק ספינודלי הייתה בעלת עניין רב מכיוון שהיא מתאימה מאוד לכלי לחץ.
עם זאת, ישנם יישומים שונים החושפים דרגות דופלקס לעומסים מכניים בינוניים בלבד, כגון מקרצפים 11–15.בקשה נוספת הייתה קשורה ללהבי מאווררים ואימפלרים, החשופים לעומסי עייפות.הספרות מראה כי פירוק ספינודלי מתנהג בצורה שונה כאשר מופעל עומס עייפות15.בשלב זה מתברר שלא ניתן להגדיר את ה-OT המקסימלי של יישומים אלו באותו אופן כמו עבור מכלי לחץ.
סוג אחר של בקשות מיועד רק ליישומים הקשורים לקורוזיה, כגון מקרצפים של גזי פליטה ימיים.במקרים אלה, עמידות בפני קורוזיה חשובה יותר ממגבלת ה-OT תחת עומס מכני.עם זאת, שני הגורמים משפיעים על פעולת המוצר הסופי, אשר יש לקחת בחשבון כאשר מציינים את ה-OT המקסימלי.שוב, מקרה זה שונה משני המקרים הקודמים.
בסך הכל, כאשר מייעצים ללקוח את ה-OT המקסימלי המתאים לדרגת הדופלקס שלו, לסוג היישום יש חשיבות חיונית בקביעת הערך.זה מדגים עוד יותר את המורכבות של הגדרת OT יחיד עבור כיתה, שכן לסביבה שבה החומר נפרס יש השפעה משמעותית על תהליך ההתפרקות.

מהי טמפרטורת הפעולה המקסימלית עבור דופלקס?

כאמור, טמפרטורת הפעולה המקסימלית נקבעת על ידי הקינטיקה הנמוכה מאוד של פירוק ספינודלי.אבל איך מודדים את הטמפרטורה הזו ומהי בעצם "קינטיקה נמוכה"?התשובה לשאלה הראשונה קלה.כבר הצהרנו כי מדידות קשיחות מבוצעות בדרך כלל כדי להעריך את קצב והתקדמות הפירוק.זה נקבע בסטנדרטים שלאחריהם רוב היצרנים.
השאלה השנייה, מה הכוונה בקינטיקה נמוכה והערך שבו אנו קובעים גבול טמפרטורה מורכבת יותר.זאת, בין היתר מכיוון שתנאי הגבול של הטמפרטורה המקסימלית מורכבים הן מהטמפרטורה המקסימלית (T) עצמה והן מזמן הפעולה (t) שבו טמפרטורה זו נשמרת.כדי לאמת שילוב Tt זה, ניתן להשתמש בפרשנויות שונות של הקשיחות ה"נמוכה ביותר":

• הגבול התחתון, שנקבע מבחינה היסטורית וניתן ליישום עבור ריתוכים הוא 27 ג'ול (J)
• במסגרת התקנים בעיקר 40J מוגדר כמגבלה.
• ירידה של 50% בקשיחות הראשונית מוחלת לעתים קרובות גם כדי לקבוע את הגבול התחתון.

משמעות הדבר היא שהצהרה על OT מקסימום חייבת להתבסס על שלוש הנחות מוסכמות לפחות:

• חשיפה לטמפרטורה-זמן של המוצר הסופי
• הערך המינימלי המקובל של קשיחות
• תחום יישום סופי (כימיה בלבד, עומס מכני כן/לא וכו')

ידע ניסיוני מוזג

בעקבות סקר מקיף של נתוני ניסויים ותקנים ניתן היה לגבש המלצות לארבע דרגות הדופלקס הנבדקות, ראה טבלה 3. יש להכיר בכך שרוב הנתונים נוצרים מניסויי מעבדה שבוצעו במדרגות טמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. .
כמו כן, יש לציין כי המלצות אלו מתייחסות לפחות ל-50% מהקשיחות שנותרה ב-RT.כאשר בטבלה מצוין "פרק זמן ארוך יותר" לא תועדה ירידה משמעותית ב-RT.יתר על כן, הריתוך נבדק רק ב-40 מעלות צלזיוס.לבסוף, יש לציין כי צפוי זמן חשיפה ארוך יותר עבור DX 2304, בהתחשב בקשיחותו הגבוהה לאחר 3,000 שעות של בדיקה.עם זאת, באיזו מידה ניתן להגדיל את החשיפה יש לוודא באמצעות בדיקות נוספות.

יש לשים לב לשלוש נקודות חשובות:

• ממצאים עדכניים מצביעים על כך שאם קיימים ריתוכים, ה-OT יורד בכ-25 מעלות צלזיוס.
• דוקרנים לטווח קצר (עשרות שעות ב-T=375 מעלות צלזיוס) מקובלים עבור DX 2205. מכיוון ש-DX 2304 ו-LDX 2101 הם דרגות סגסוגות נמוכות יותר, עליות טמפרטורה דומות לטווח קצר אמורות להיות מקובלות גם כן.
• כאשר החומר מתפורר עקב פירוק, טיפול בחום מפחית ב-550 - 600 מעלות צלזיוס עבור DX 2205 ו-500 מעלות צלזיוס עבור SDX 2507 למשך שעה עוזר לשחזר את הקשיחות ב-70%.