Ембригтиране в сигма фаза: Управление на експлоатацията при високи температури на тръби от неръждаема стомана

Охрупването поради сигма фаза е образуването на твърда и крехка хром-желязна междучастична съставка в неръждаема стомана, която се изтърсва приблизително в температурния диапазон от 600 до 950 °C и отнема както ударната вязкост, така и корозионната устойчивост на сплавта. Практическият резултат е, че тръба, която е била пластична при монтажа, може да стане опасно крехка след продължителна експлоатация или след бавно охлаждане през този температурен интервал, особено при марки с високо съдържание на хром, молибден и дуплексни марки. Управлението на този феномен се свежда до контролиране на времето и температурата на експозиция, избор на подходяща марка и възстановяване на микроструктурата чрез разтворно отжигане, когато това е необходимо. В Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. работим с проблема на сигма фаза още на етапа на проектиране и термична обработка, а не като последваща мярка.

Какво представлява сигма фазата и защо се образува
Сигма е подредена, богата на хром интерметаллична фаза (общи типове FeCr), изключително твърда и почти напълно без пластичност. Тя се образува в границите на зърната и на интерфейсите между ферит и аустенит, тъй като тези места осигуряват както необходимия хром, така и пътищата за дифузия. Образуването ѝ е контролирано от дифузия, следователно зависи едновременно от температурата и времето: в критичния температурен диапазон сплавта трябва да бъде подложена на продължително въздействие, за да се образува значимо количество сигма, а процесът на утаяване протича най-бързо в средата на този диапазон, често около 700–850 °C за много аустенитни марки.
Няколко неща правят сигма особено коварна. Тъй като тя извлича хром от околната матрица за собственото си образуване, съседният метал става дефицитен по хром и по-малко корозионноустойчив; по този начин един и същ механизъм едновременно уврежда механичните и химичните свойства. Освен това сигма може да се образува при бавно охлаждане след заваряване или ковка, а не само по време на експлоатация, което означава, че компонентът може вече да съдържа сигма, преди изобщо да е постъпил в употреба.

Кои марки са податливи
Уязвимостта нараства със съдържанието на хром и молибден, тъй като и двете са силни образуватели на сигма-фаза. Високо легираните аустенитни марки, като 316, 317 и супераустенитните, са по-подложни в сравнение с бедната по легирани елементи 304. Марките, стабилизирани с титан или ниобий, като 321 и 347, се избират за работа при високи температури частично поради устойчивостта им към сенсибилизиране, но те не са напълно имунни към образуване на сигма-фаза в горната част на температурния диапазон.
Дуплексните и супердуплексните марки изискват допълнително внимание. 2205 и 2507/S32750 съдържат около 22–25 % хром, както и молибден и значителна фракция ферит; тъй като сигма-фазата се образува най-бързо във ферита, тези сплави могат да образуват охрупващи фази много бързо в температурния диапазон 700–900 °C. Затова при производството на дуплексни сплави се прилагат строги контроли върху топлинния вход и температурата между проходите, а максималната препоръчителна експлоатационна температура за 2205 е значително по-ниска от тази на много аустенитни сплави. Ако дуплексна тръба се задържи твърде дълго време близо до 850 °C, ударната втвърдяемост може рязко да намалее.

Последици при експлоатация
Най-очевидният симптом на сигма-омекване е рязко намаляване на удара при стайна температура. Металът, който поглъща висока енергия при изпитание по Шарпи при ново състояние, може да спадне до малка част от тази стойност след образуването на сигма-фаза, което увеличава риска от крехко чупене по време на спиране, термично циклиране или хидростатично повторно изпитание, когато металът е студен. Високотемпературната пластичност понася по-малко щети, затова опасността често се проявява едва когато инсталацията се охлади за поддръжка.
Корозионната загуба се дължи на изчерпването на хрома около сигма-частиците. Локализираната атака, точковата корозия и междукристалната корозия се ускоряват в тези изчерпани зони, което подкопава именно онези сплави, които са избрани за агресивни условия на експлоатация. При дуплексните материали комбинираната загуба на ударна възприемчивост и корозионна устойчивост е точно причината, поради която избягването на омекващи фази е ключово изискване при производството.

Превенция чрез проектиране и спецификации
Първото нещо, което трябва да направите, е да запазите метала извън критичната температурна зона по време на експлоатация. Задайте документирана максимална експлоатационна температура и спазвайте я — така предотвратявате повечето случаи на образуване на сигма фаза по време на експлоатация. За дуплексни тръби това означава да спазвате температурния лимит, определен от производителя, а не по-високите граници, използвани за аустенитни сплави. Където високата температура е неизбежна, изберете стабилизирана или специално проектирана високотемпературна марка и вземете предвид натрупаното време на излагане през целия проектен срок.
Контролът върху производството има същото значение. Бързото охлаждане през температурния диапазон на утаяване след заваряване или горещо формоване ограничава времето, налично за дифузия, поради което сигма има по-малко възможност да расте. При дуплексните сплави контролът върху топлинния вход, температурата между проходите и скоростта на охлаждане поддържа правилното съотношение между ферит и аустенит и потиска образуването на интерметаллични фази. Повторните поправки чрез заваряване на едно и също място представляват скрит риск, тъй като всяка такава поправка добавя още един топлинен цикъл през опасната зона.

Откриване и възстановяване
Сигма се проявява металографски при травиране и микроскопия, а нейният ефект се измерва чрез опити за удари, които разкриват загубата на ударна влека. Тъй като е твърда, проучванията на твърдостта и специализираните травиращи разтвори могат да открият подозрителни зони, а корозионните изпитания потвърждават дефицита на хром. Когато се установи, че даден компонент съдържа вредна сигма, може да се възстанови микроструктурата чрез разтворно отжигане: нагряване значително над температурния диапазон на образуване на фази, обикновено около 1040–1120 °C за много аустенитни марки, задържане достатъчно дълго, за да се разтворят интерметалните фази обратно в твърдия разтвор, след което бързо охлаждане, за да се закрепи хомогенната структура и да се премине през прозореца за повторно образуване колкото се може по-бързо.
Разтворното отжигане е ефективно, но не винаги е практически осъществимо за монтирани тръбопроводи, затова предотвратяването остава по-добра стратегия. За нов материал правилното доставено състояние – разтворно отжиган и охладен – потвърден чрез химически и механични изпитания, гарантира, че тръбата започва експлоатацията си без охрупващи фази.

Практически изводи
Сигма фазата е явление, зависещо от времето и температурата, най-активно приблизително между 600 и 950 °C и с най-бързо образуване в сплави с високо съдържание на хром, молибден и дуплекс сплави. За да се избегне нейното образуване, трябва да се спазват ограниченията за експлоатационна температура, да се контролират термичните цикли при заваряване и формоване и да се посочва материал, подложен на разтворно отжигане. Тя се открива чрез металография и ударни изпитания; когато е възможно, може да се елиминира чрез разтворно отжигане, последвано от бързо гасене. Wenqiang доставя аустенитни, стабилизирани и дуплекс марки в правилното топлинно обработено състояние, като извършва вътрешни химически, механични и корозионни изпитания, за да се потвърди, че микроструктурата е здрава, преди тръбите да влязат в употреба при високи температури.

Често задавани въпроси
В: При каква температура се образува сигма фазата в неръждаемата стомана?
О: Сигма фазата се изтърпява приблизително между 600 и 950 °C, като най-бързото й образуване обикновено се наблюдава в средата на този интервал. Продължителното излагане или бавното охлаждане през този диапазон я насърчава, особено при марки с високо съдържание на хром, молибден и дуплекс сплави.
В: Може ли ембригтирането поради сигма-фаза да се обърне?
О: Да. Топлинната обработка при разтворяване при около 1040–1120 °C за аустенитни марки разтваря отново сигма-фазата в матрицата, а бързото охлаждане попрепятства нейното повторно образуване. При монтираните тръбопроводи това често е непрактично, затова предпочитаната мярка е предотвратяването чрез контрол на температурата.

За аустенитни и дуплексни неръждаеми стоманени тръбопроводи, подложени на топлинна обработка при разтворяване и проверени чрез вътрешни изпитания, свържете се с Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. по телефон +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/