Stal nierdzewna 316L VS 2205 duplex w dziedzinach biomedycyny

/w /Autor

Przemysł farmaceutyczny i biotechnologiczny ma stosunkowo wysokie wymagania dotyczące materiałów stalowych stosowanych w statku przetwarzania i systemu rurociągów, które muszą mieć doskonałą odporność na korozję i czystość, aby zapewnić czystość i jakość produktu leczniczego, muszą być również w stanie tolerować środowisko produkcyjne i dezynfekcji i procesów czyszczenia temperatury, ciśnienia i korozji, również mają dobrą spawalność i może spełnić wymagania przemysłu wykończenia powierzchni.

316L (UNS S31603, EN 1.4404) Austenityczna stal nierdzewna jest głównym materiałem do urządzeń w produkcji przemysłu farmaceutycznego i biotechnologicznego. Stal nierdzewna 316L ma doskonałą odporność na korozję, spawalność i właściwości polerowania elektrolitycznego, co czyni ją idealnym materiałem dla większości zastosowań farmaceutycznych. Chociaż stal nierdzewna 316L działa dobrze w wielu środowiskach procesowych, klienci nadal poprawiają wydajność stali nierdzewnej 316L poprzez staranny dobór specyficznego składu chemicznego stali nierdzewnej 316L i stosowanie ulepszonych procesów produkcyjnych, takich jak przetapianie elektrożużlowe (ESR).

Dla silnie korozyjnych mediów, klienci, którzy mogą zaakceptować zwiększone koszty utrzymania mogą nadal używać stali nierdzewnej 316L, lub wybrać użycie 6% molibdenu super austenitycznej stali nierdzewnej o wyższym składzie stopu, takich jak AL-6XN ® (UNS N08367) lub 254 SMO ® (UNS S31254, EN 1.4547). Obecnie dwufazowa stal nierdzewna 2205 (UNS S32205, EN 1.4462) jest również stosowana w produkcji urządzeń procesowych w tej branży.

Mikrostruktura stali nierdzewnej 316L obejmuje fazę austenitu i bardzo małą ilość fazy ferrytowej, która powstaje głównie przez dodanie odpowiedniej ilości niklu do stopu w celu stabilizacji fazy austenitu. Zawartość niklu w stali nierdzewnej 316L wynosi na ogół 10-11%. 2205 duplex stal nierdzewna powstaje poprzez zmniejszenie zawartości niklu do około 5% i dostosowanie manganu i azotu dodanego do tworzenia około 40-50% ferrytu i zawiera mniej więcej taką samą ilość fazy ferrytu i fazy austenitu mikrostruktury, z dużą do znacznej odporności na korozję. Wzrost zawartości azotu i drobnoziarnista mikrostruktura stali nierdzewnej 2205 duplex powodują, iż ma ona wyższą wytrzymałość niżeli powszechnie stosowane austenityczne stale nierdzewne, takie jak 304L i 316L. W warunkach wyżarzania, granica plastyczności stali nierdzewnej 2205 duplex jest około dwukrotnie wyższa niżeli stali nierdzewnej 316L. Ze względu na tę wyższą wytrzymałość, dopuszczalne naprężenia 2205 dupleksowej stali nierdzewnej mogą być znacznie wyższe, w zależności od specyfikacji projektowych dla urządzeń procesu produkcyjnego. Może to zmniejszyć grubość ścian i koszt w wielu zastosowaniach. Zobaczmy skład chemiczny i porównanie właściwości mechanicznych pomiędzy 316L i 2205 (określone w ASTM A240)

KlasyUNSCMnPSSiCrNiMoN
316LS316030.032.00.0450.030.7516.0-18.010.0-14.02.0-3.00.1
2205S322050.032.00.030.021.022.0-23.04.5-6.53.0-3.50.14-0.2
KlasyWytrzymałość na rozciąganie, Mpa(ksi)Granica plastyczności Mpa(ksi)WydłużenieTwardość, HRB(HRC)
316/316L515(75)205(30)40%217(95)
2205655(95)450(65)25%29331()

Wydajność korozyjna

Odporność na korozję wżerową

W zastosowaniach farmaceutycznych i biotechnologicznych najczęstszą korozją stali nierdzewnej jest korozja wżerowa w mediach chlorkowych. Stal nierdzewna 2205 duplex ma wyższą zawartość chromu, molibdenu i azotu, która jest znacznie lepsza niż stal nierdzewna 316L w odporności na korozję wżerową i szczelinową. Względną odporność na korozję stali nierdzewnej można określić poprzez pomiar temperatury (krytycznej temperatury korozji) wymaganej do powstania wżerów w standardowym roztworze testowym chlorku żelaza 6%. Krytyczna temperatura korozji (CPT) stali nierdzewnej 2205 duplex znajduje się pomiędzy stalą nierdzewną 316L a super austenityczną stalą nierdzewną 6% z molibdenem. Należy zauważyć, że dane CPT mierzone w roztworze chlorku żelaza jest wiarygodny ranking odporności na wżery jonów chlorkowych i nie powinny być stosowane do przewidywania krytycznej temperatury korozji materiału w innych środowiskach chlorkowych.

Pęknięcie spowodowane korozją naprężeniową

Gdy temperatury są wyższe niż 150°F (60°C), 316L stal nierdzewna jest podatna na pękanie pod wpływem połączonego działania stresu rozciągającego i jonów chlorkowych, a to katastrofalne korozji jest znany jako chlorku korozji naprężeniowej (SCC). Przy wyborze materiałów w warunkach gorących płynów, 316 stali nierdzewnej należy unikać w obecności jonów chlorkowych i temperatury 150°F (60°C) lub powyżej. Jak pokazano na rysunku poniżej, stal nierdzewna 2205 duplex może wytrzymać SCC co najmniej 250°F (120°C) w prostym roztworze soli.

Właściwości przetwórcze

Obróbka stali nierdzewnej 2205 duplex jest podobna do obróbki stali 316L pod wieloma względami, ale nadal istnieją pewne różnice. Obróbka plastyczna na zimno musi uwzględniać wyższą wytrzymałość i cechy hartowania roboczego dwufazowej stali nierdzewnej, może być wymagany sprzęt o wyższej nośności, a w eksploatacji stal nierdzewna 2205 będzie wykazywać wyższą sprężystość niżeli standardowe gatunki austenitycznej stali nierdzewnej. Wyższa wytrzymałość stali nierdzewnej 2205 duplex powoduje, iż jest ona trudniejsza do cięcia niżeli 316L.

Stal nierdzewna 2205 duplex może być spawana w taki sam sposób jak stal nierdzewna 316L. Jednak dopływ ciepła i temperatura międzywarstwowa muszą być ściśle kontrolowane, aby utrzymać oczekiwany stosunek faz austenitu do ferrytu i uniknąć wytrącania się szkodliwych faz międzymetalicznych. Gaz spawalniczy zawiera niewielką ilość azotu, aby uniknąć tych problemów. W kwalifikacji spawalniczej stali nierdzewnej duplex, powszechnie stosowaną metodą jest ocena stosunku austenitu do ferrytu za pomocą testera ferrytu lub badania metalograficznego. Metoda badawcza ASTM A 923 jest zwykle stosowana do weryfikacji obecności szkodliwych faz międzymetalicznych. Zalecany materiał wypełniający dla spoiny to. ER2209 (UNSS39209, EN 1600). Spawanie samoczynne jest zalecane tylko wtedy, gdy po spawaniu można wykonać zabieg wyżarzania roztworu spawalniczego w celu przywrócenia odporności na korozję. Nie wykorzystuje się w nim metalu wypełniającego. Aby wykonać wyżarzanie roztworu, elementy są podgrzewane do temperatury co najmniej 1900°F (1040°C), a następnie gwałtownie chłodzone.

Penetracja i płynność Duplex stali nierdzewnej 2205 są słabsze niż 316L stali nierdzewnej, więc prędkość spawania jest wolniejsza i kształt spoiny musi być zmodyfikowany. Stal nierdzewna duplex 2205 wymaga szerszego Kąta rowka, większego prześwitu korzenia i mniejszej tępej krawędzi niż stal nierdzewna 316L, aby uzyskać w pełni topliwą spoinę. Jeśli sprzęt spawalniczy pozwala na użycie drutu wypełniającego, to. 2209 drut wypełniający jest używany do obsługi spawania torowego rury ze stali nierdzewnej 2205, lub drut wypełniający może być używany zamiast odpowiedniego wkładu konsumpcyjnego stopu.

Polerowanie elektrolityczne

Wiele zastosowań farmaceutycznych i biotechnologicznych wymaga, aby powierzchnia mająca kontakt z produktem była elektrolitycznie polerowana, dlatego wysokiej jakości elektrolitycznie polerowane powierzchnie są ważną właściwością materiału. Stal nierdzewna 2205 Duplex może być elektrolitycznie polerowana do wykończenia 15 mikrocali (0,38 mikrona) lub wyższego, co przekracza standard ASME BPE dla wykończenia powierzchni polerowanych elektrolitycznie, ale elektrolitycznie polerowana powierzchnia stali nierdzewnej 2205 nie jest tak jasna jak powierzchnia stali nierdzewnej 316L. Różnica ta wynika z nieco wyższej rozpuszczalności metalu w ferrycie w porównaniu z austenitem podczas procesu elektropolerowania.

Spawanie stali nierdzewnej w osłonie tylnej

/w /Autor

    Szybki rozwój przemysłu petrochemicznego ma wyższe wymagania dotyczące spawania rur i płyt ze stali nierdzewnej, wczesne stali nierdzewnej spawania podkładu być wypłukane stopniowo, a teraz więcej za pomocą argonu spawania łukowego spawania podkładu, z większą czystość i wyższą wydajność. W tym samym czasie pojawiły się również pewne problemy, a mianowicie, proces spawania z argonem spawania łukowego stali nierdzewnej z powrotem być utlenione łatwo i produkować wady, więc na plecach środki ochrony muszą być podjęte, więc utrzymanie właściwości mechaniczne spoiny i odporność na korozję, itp:

    Osłona tylna z Ar

    Powszechnie stosowany gaz osłonowy może być czysty argon i gaz mieszany. W rzeczywistości określona proporcja argonu i azotu mieszanego gazu jest bardziej sprzyjająca spawaniu austenitycznej stali nierdzewnej. Niektóre gaz obojętny nie jest używany ze względu na wysoki koszt. Wypełnienie argonem jest najczęściej stosowaną metodą osłony tylnej, która charakteryzuje się dobrym efektem, łatwą obsługą, wysokim czyszczeniem i wysokim wskaźnikiem kwalifikowanym. Można go podzielić na osłonę ochronną wypełniającą argon, lokalną osłonę argonową wypełniającą, osłonę argonową wypełniającą węzeł spawany itp.

    Osłona ochronna wypełnienie argonem

    Używane w spawania blach ze stali nierdzewnej i rur o dużej średnicy. Metalowa tarcza połączona rura i wąż argon, sprawiają, że tarcza wypełniona gazem argon, spawacz ręczny metalowa rura jako uchwyt sprawiają, że tarcza na plecach stopionego basenu slajdów i płyty lub spawania rur razem, takie czyniąc, że z powrotem dostał skuteczną ochronę, znacznie zmniejszyć odpady argonu.

    Lokalne napełnianie argonem

    Używany w lokalnie małej przestrzeni lub krótkiej wielkości rurociągu. Połączenie spawalnicze rurociągu powinno być uszczelnione taśmą klejącą (aby zapobiec wyciekowi powietrza), a oba końce rurociągu powinny być uszczelnione gąbką, taśmą klejącą lub papierem itp. Jeden koniec węża argonowego powinien być wypełniony argonem. Lepiej jest zrobić mały otwór na drugim końcu rury (gąbka nie jest wymagana), co sprzyja ostatecznemu połączeniu spawania wstecznego i nie będzie zwisać z powodu nadmiernego ciśnienia wewnętrznego. Wady to powolne napełnianie argonem i kosztowne.

    Węzeł spawany wypełnienie argonem

    Dla zbyt długich i dużych rurociągów o średnicy rury, koszt lokalnego wypełnienia argonem jest wysoki, a jakość nie może być zagwarantowana, więc węzeł spawalniczy wypełniony argonem metody mogą być bezpośrednio stosowane. Osłona argonowa może być oceniana według koloru wewnętrznych spoin, a spawacze mogą dostosować argon według koloru, aby osiągnąć najlepszą ochronę. Biały i złoty są najlepsze, podczas gdy szary i czarny są najgorsze. Ale w procesie działania, istnieją pewne wskazówki dotyczące tylnej osłony stali nierdzewnej:

    (1) Przed spawaniem łukiem argonowym części spawalnicze można chronić, napełniając argon z dużym przepływem na plecach z wyprzedzeniem, a przepływ stopniowo zmniejsza się po odprowadzeniu powietrza. Podczas procesu spawania wypełnij rurę argonem w sposób ciągły i zatrzymaj się po zakończeniu spawania. Ponadto spawanie może być wykonywane tylko po oczyszczeniu powietrza, w przeciwnym razie wpływ na efekt ochrony wypełnienia argonem.

    (2) Przepływ gazu Argon powinien być odpowiedni. Zbyt mały przepływ nie jest dobrą ochroną, tył spoiny jest łatwy do utlenienia; Nadmierny przepływ spowoduje wklęsłe wady u nasady spoiny i wpłynie na jakość spawania.

    (3) Wlot argonu powinien być umieszczony jak najniżej w sekcji zamkniętej, a wylot powietrza nieco wyżej. Ponieważ argon jest cięższy od powietrza, ładowanie go z niższej pozycji zapewnia większe stężenie i zapewnia lepszą ochronę.

    (4) W celu zmniejszenia wycieku argonu ze szczeliny spoiny, taśma samoprzylepna może być stosowana wzdłuż szczeliny spawalniczej przed spawaniem, pozostawiając tylko długość ciągłego spawania dla spawacza, a taśma samoprzylepna może zostać usunięta podczas spawania.

    Drut spawalniczy samoosłonowy

    Back self - drut osłonowy jest rodzajem drutu spawalniczego z powłoką pokrytą topnikiem. Podczas spawania powłoka ochronna przeniknie do jeziorka spawalniczego, tworząc gęstą warstwę ochronną, dzięki czemu tylna część koralika spawalniczego nie zostanie utleniona. Po schłodzeniu warstwa ochronna odpadnie automatycznie i zostanie oczyszczona za pomocą próby ciśnieniowej purge.

    Spawanie w osłonie własnej drut ze stali nierdzewnej nie jest ograniczona przez różne warunki spawania, a operacja jest szybka i prosta. Ale ponieważ powłoka z topnikiem może pojawić się dym i trujący gaz, a także zwis i inne wady, więc istnieją pewne wymagania dla spawaczy. Samo - drut osłonowy jest odpowiedni do spawania podkładu ze względu na wysoki koszt. Metoda tego drutu spawalniczego jest w zasadzie taka sama jak zwykłego drutu spawalniczego z litym rdzeniem argonowym, a metal spoiny może spełniać wymagania użytkowe w wydajności.

    Czy mogę spawać ASTM A387 Gr22 i 304 blachę stalową razem?

    /w /Autor

      Spawanie stali różnej ma szerokie zastosowanie w dziedzinie, takiej jak przemysł lotniczy i kosmiczny, przemysł petrochemiczny, przemysł maszynowy. Niepodobna stal jest naprawdę różna w składzie chemicznym, zgodności metalurgicznej i właściwości fizycznych i itp., które pojawią się migracji elementów stopu, nierówny skład chemiczny i organizacje metalograficzne w procesie spawania, również może produkować naprężenia termiczne i spawania deformacji lub pęknięć, to zmniejszy właściwości mechaniczne połączeń spawanych. W tym artykule przeanalizowano spawalność złączy spawanych ze stali różnej wielkości ASTM A387 GR22 Chromoly steel plate i S30408 stainless steel plate, a także wybrano odpowiednie metody spawania, materiały spawalnicze i parametry procesu spawania, a także obróbkę cieplną po spawaniu.

      KlasyCSiMnCrMoCuNiNPS
      A387 GR220.110.350.462.211.060.120.22/0.010.006
      3040.050.621.8319.16//8.970.060.0270.015
      Porównanie składu chemicznego

      S30408 to powszechnie stosowana austenityczna stal nierdzewna, ASTM A387 GR22 to niskostopowa stal żaroodporna o dobrej odporności na wysoką temperaturę i odporności na wodór, stosowana głównie w reaktorze zakładu uwodornienia i wymienniku ciepła oraz innych urządzeniach. Chrom i molibden mogą znacznie poprawić hartowność stali, a , metal spoiny i strefa dotknięta ciepłem mogą tworzyć mikrostrukturę wrażliwą na pękanie na zimno przy określonej prędkości chłodzenia. Kruchość postępująca występuje, gdy całkowita zawartość niebezpiecznych metali resztkowych przekracza dopuszczalny limit na poziomie 350-550℃ przez długi okres eksploatacji. Główne trudności, z którymi musimy się zmierzyć to:

      • Rozcieńczenie spoiny

      W trakcie procesu spawania metal spoiny jest rozcieńczany przez osadzony metal. W metalu spoiny w pobliżu strefy wtopienia po jednej stronie blachy stalowej ASTM A387 GR22 tworzy się warstwa przejściowa. Skład warstwy przejściowej różni się od składu metalu spoiny. Im wyższa jest zawartość stopu metali nieszlachetnych, tym wyższy jest współczynnik wtopienia i tym wyższy jest stopień rozcieńczenia. Warstwa przejściowa po stronie ASTM A387 GR22 może wytworzyć kruchą strukturę martenzytu z powodu rozcieńczenia.

      • Migracja węgla

      Atomy chromu i węgla w wysokiej temperaturze jest łatwo tworzyć związki węglika chromu, ASTM A387 Gr22 blachy stalowej strony tworzy atomy węgla z obszaru odwęglenia z powodu słabego chromu w procesie spawania, z kolei, zmiękczanie, grube ziarna, zwiększenie kruchości, odporność na korozję, a S30408 strony do wzbogacania chromu i atomów węgla, aby utworzyć warstwę nawęglania migracji i hartowania, wielkość ziarna i wydajność lepiej.

      • Naprężenia spawalnicze

      Ze względu na różne przewodnictwo cieplne i współczynnik rozszerzalności liniowej dwóch materiałów, naprężenia termiczne będą generowane w strefie wysokiej temperatury podczas procesu spawania, które nie mogą być wyeliminowane, co powoduje dodatkowe naprężenia w pobliżu strefy spoiny i fuzji, a naprężenia szczątkowe spawania generowane w procesie chłodzenia ze względu na niespójny skurcz, co powoduje pęknięcia na boku blachy stalowej ASTM A387GR22.

      Po poznaniu możliwych problemów, materiałami do tego eksperymentu są płyty ze stali nierdzewnej ASTM A387GR22 i S30408, o specyfikacji 400mm×150mm×10mm. Skład chemiczny tych dwóch materiałów przedstawiono w tabeli:

      • Metoda spawania

      W celu zmniejszenia rozcieńczenia złączy spawalniczych i zapobiegania zimnym pęknięciom i pęknięciom reheat, materiał spawalniczy na bazie stopu niklu jest najpierw napawany na stronie ASTM A387GR22 podczas spawania. Wybrano metody spawania o małym współczynniku wtopienia i niskim współczynniku rozcieńczenia, takie jak spawanie łukowe argonem wolframu i spawanie łukowe elektrodą. W tym eksperymencie spawanie łukowe argonowe jest używane jako podkład i metoda spawania łukowego pokrycia spawalniczego.

      • Materiały do spawania

      Elektrody na bazie niklu i druty ERNiCr-3/ENiCr-3 służą do blokowania powstawania węglików przez grafityzację niklu, zmniejszają warstwę przejściową i zapobiegają wytwarzaniu kruchej struktury martenzytu, a także dalej hamują migrację węgla w płycie stalowej ASTM A387GR22.

      • Rowek spawalniczy

      Rodzaj rowka spawalniczego powinien uwzględniać liczbę warstw spawalniczych, ilość metalu wypełniającego oraz współczynnik wtopienia i naprężenia szczątkowe spawania. Rodzaj i wielkość projektowanego rowka przedstawiono poniżej:

      • Podgrzewanie wstępne i regulacja temperatury międzywarstwowej

      Mikrostruktura ASTM A387 GR22 to odpuszczony bainit, a S30408 to austenit. Pierwszy z nich charakteryzuje się hartownością, skłonnością do pęknięć przy przegrzewaniu i kruchością przy odpuszczaniu, natomiast drugi charakteryzuje się dobrą spawalnością. Zgodnie ze składem chemicznym, formą złącza, metodą spawania i materiałem spawalniczym materiałów ustaliliśmy, że temperatura wstępnego podgrzewania wynosiła około 200℃, a temperatura między przejściami spawalniczymi mieściła się w granicach 100℃. Po spawaniu natychmiast przeprowadzono obróbkę cieplną w temperaturze 350℃×2h.

      • Parametr procesu spawania
      Warstwa spawalniczaMetody spawaniaDruty spawalniczeElektroda do spawaniaPrąd spawania I/ACiśnienie spawania U/VPrędkość spawania v/cm
      Nawierzchnia  SMAWERNiCr-3, 4,0mmDCEP140-16023-2616-20
      Zgrzewanie punktowe/1GTAWERNiCr-3, 2,4 mmDCSP120-15013-158-10
      2-końcówkaSMAWERNiCr-3, 4.0mmDCEP140-16023-2616-20

      Przed spawaniem oczyść warstwę tlenku, olej, wilgoć, rdzę itp. w promieniu 200 mm od rowka i obu stron blachy stalowej. Specyficzne parametry procesu spawania przedstawiono w tabeli.

      • Odciążająca obróbka cieplna po spawaniu

      Obróbka cieplna po naprężeniu spawania jest ważnym procesem zapobiegającym pęknięciom spawalniczym. Duże naprężenia szczątkowe spawania będą generowane podczas spawania, więc 690±10℃×2h obróbka cieplna jest wymagana po spawaniu, aby wyeliminować naprężenia szczątkowe spawania i uniknąć generowania pęknięć.

      • Wyniki i analiza

      Przeprowadziliśmy inspekcję wyglądu na płycie stalowej zgodnie z normą oceny spawania dla urządzeń nośnych pod ciśnieniem i stwierdziliśmy, że na powierzchni nie było żadnych wad, takich jak pory, wtrącenia żużla i pęknięcia. Następnie przeprowadziliśmy kontrolę radiograficzną 100% oraz badania właściwości mechanicznych, takich jak rozciąganie, zginanie i uderzanie. Wyniki badań zostały przedstawione w tabeli.

      PozycjaSzerokość/mmGrubość/mmCSA/mm²Maksymalne obciążenieWytrzymałość na rozciąganie
      I120.3039.72806.3507.12625 Mpa
      I220.2839.78806.7482.83600 Mpa
      Próba rozciągania

      Nr próbki.Typ zgięciaGrubość/mmŚrednica łukuKąt zgięciaWyniki
      C1Zginanie boczne10D=40 mm180°Wykwalifikowani
      C2Zginanie boczne10D=40 mm180°Wykwalifikowani
      C3Zginanie boczne10D=40 mm180°Wykwalifikowani
      Test na zginanie

      Nr próbki.Wielkość próbki mmPozycja lukiTemperatura badaniaEnergia pochłaniająca uderzenie/Akv
      R110*10*55A387 GR22 strona0℃152
      R210*10*55A387 GR22 strona0℃176
      R310*10*55A387 GR22 strona0℃122
      Test impulsu

      Z powyższych danych można zauważyć, że testy rozciągania, zginania i uderzenia są kwalifikowane, co wskazuje, że nasz plan procesu spawania jest kwalifikowany, spawanie płyt stalowych z materiałów niepodobnych między ASTM A387 Grade 22 i 304 są doskonale wykonalne.