Hastelloy C-4 по сравнению с C-276: преимущество термической стабильности сварного химического технологического оборудования

Что такое Hastelloy C-4 и C-276 и чем различаются их составы?

В C-4 и C-276 почти одинаковое содержание хрома и молибдена (по 16 %), но в C-276 добавлено 4 % вольфрама и содержится больше железа и кобальта, тогда как в C-4 добавлена ​​небольшая добавка титана и удержание железа на более строгом максимуме в 3 % — различия, которые на бумаге выглядят незначительными, но определяют, как ведут себя границы зерен каждого сплава при нагреве во время сварки.

Источник: Таблицы номинального состава Haynes International для сплавов HASTELLOY C-4 и C-276.

Оба сплава представляют собой сплавы со сверх-низким-углеродом (максимум 0,01 %) и сверх-низким-кремнием (максимум 0,08 %), никелем-хромом-молибденом - — комбинацией, которая впервые прославила C-276 в 1960-х годах как материал, с помощью которого инженеры могли сваривать Сплав Ni-Cr-Mo, не вызывая проблем межкристаллитной коррозии, которые преследовали ранее сплавы никеля с более высоким-углеродом. Впоследствии C-4 был разработан специально для того, чтобы пойти еще дальше: за счет удаления вольфрама и увеличения содержания железа компания Haynes International разработала сплав, который, по ее собственным словам, является «наиболее микроструктурно стабильным из широко используемых никель-хром-молибденовых материалов».

Почему термическая стабильность важна для сварного химического технологического оборудования?

При сварке металл рядом со сварным швом - в зоне термического воздействия (ЗТВ) - нагревается до температуры, в которой хром, молибден и вольфрам могут осаждаться из твердого раствора в виде частиц второй-фазы вдоль границ зерен, локально истощая окружающий металл теми самыми элементами, которые придают сплаву его коррозионную стойкость, и создавая путь, -предрасположенный к коррозии, именно там, где вероятнее всего будет находиться оборудование. напряжение.

Этот процесс -, обычно называемый сенсибилизацией, когда он происходит в аустенитных нержавеющих сталях и более широко известный как зерно-граничное или интерметаллическое выделение в никелевых сплавах -, не требует ошибки. Каждая многопроходная сварка, каждый ремонт толстого-секции и каждая сварка в полевых условиях, выполненная без находящейся поблизости печи, подвергает некоторый объем ЗТВ воздействию температурного диапазона опасной-зоны в течение определенного периода времени.

Вопрос, который на самом деле имеет значение для производителей и владельцев активов, заключается не в том, происходит ли такое воздействие, а в том, сколько времени при температуре пройдет, прежде чем осадки достигнут разрушительной глубины. Это именно то, что измеряют данные временной-температуры-сенсибилизации (TTS), и это единственный наиболее важный технический факт, отличающий C-4 от C-276 в сварном состоянии.

Как C-4 и C-276 сравниваются по поведению в зависимости от времени, температуры и сенсибилизации?

C-4 необходимо выдерживать при наиболее критической температуре (825 градусов / 1517 градусов F) в течение полных 2 часов, прежде чем разрушение границ зерна- достигнет разрушительной глубины 0,05 мм в соответствии с испытанием ASTM G28A; C-276 достигает такого же повреждения всего за 3 минуты при температуре от 925 до 1050 градусов (1697-1922 градусов по Фаренгейту) — разница примерно в 40 раз во времени, прежде чем произойдет вред.

Источник: диаграмма временной-температурной-сенсибилизации (T-T-S), таблица данных сплава HASTELLOY C-4, испытанная в кипящем растворе сульфата железа/серной кислоты ASTM G28A.

Haynes International прямо заявляет об этом компромиссе-: «во время сварки тепловложение важно в случае сплава C-276, но не имеет большого значения в случае сплава C-4». С практической точки зрения, «нос» TTS C-276 — самая быстрая точка на кривой выделения — составляет всего 3 минуты, окно, через которое может пройти один проход сварного шва на участке средней толщины при нормальном воздушном охлаждении.

Нос C-4 составляет 2 часа, продолжительность, которую обычная дуговая-сварка по существу не может достичь без преднамеренного, длительного воздействия печи. Вот почему C-4 часто указывается для сосудов с толстым-сечением, многопроходного ремонта в полевых условиях и любых работ, где невозможно измерить погонную теплоту сварщика и температуру между проходами и обеспечить соблюдение проходного режима.

Какой сплав обеспечивает лучшую стойкость к локальной коррозии - в состоянии-при поставке?

В растворе-отожженном, несваренном состоянии,C276на самом деле превосходит C-4 по стандартным тестам на питтинг и щели - его добавление вольфрама повышает критическую температуру питтинга до 150 градусов по сравнению с 100 градусами у C-4 - это именно та стратегия легирования, которая лишает C-4 преимущества термической стабильности.

Источник: данные Haynes International о критической температуре питтинга/щелей (подкисленный 6% FeCl3, ASTM G48) и данные о коррозионном растрескивании под напряжением- (кипящий 45% MgCl2, ASTM G36), таблицы данных сплавов HASTELLOY C-4 и C-276.

Та же картина сохраняется и в более строгом тесте Хейнса на питтинговую коррозию «Зеленая смерть» (11,5% H2SO4 + 1.2% HCl + 1% FeCl3 + 1% CuCl2): C-4 сначала показывает точечную коррозию при 85 градусах, а C-276 сопротивляется точечной коррозии вплоть до точки кипения раствора. Это главный компромисс-статьи: вольфрам заметно улучшает стойкость C-276 к хлоридным-питтингам и трещинам в правильном растворе-отожженном материале -, но он также является легирующей добавкой, наиболее ответственной за гораздо более быструю кинетику выделения вторичной фазы C-276 и, следовательно, за его более узкую устойчивость к подводу тепла при сварке. Ни один из сплавов не является просто «лучше»; каждый оптимизирует свое свойство за счет другого.

Как сварка влияет на коррозионную стойкость на практике?

Haynes International публикует специальное сравнение коррозии сварного-металла-с-деформируемым-основным-металлом специально для C-276, демонстрируя, что металл сварного шва по основным кислотам - близок к деформируемому основному металлу, но заметно выше, тогда как для C-4 не существует эквивалентной таблицы, что соответствует химическому составу, который не вызывает сенсибилизации при обычном сварочном тепловложении и поэтому не требует отдельная аттестация металла сварного шва.

Источник: данные Haynes International по коррозии всего-сварного-металла (многопроходная-крестообразная сварка GMAW) в сравнении с деформируемым основным-металлом, таблица данных сплава HASTELLOY C-276.

Зазор между наплавленным металлом C-276 и деформируемым основным металлом при этих умеренных температурах небольшой - обычно в 2-4 раза, не катастрофический -, но он реален, и это причина, по которой спецификации процедуры сварки (WPS) для оборудования под давлением C-276 обычно требуют максимальных пределов температуры между проходами, контролируемого тепловложения и многопроходной технологии стрингерного валика на толстых секциях. Для C-4 руководство Хейнса по изготовлению не налагает сопоставимых правил в отношении тепловложения специально для защиты коррозионной стойкости, поскольку химический состав сплава не дает тепловому поступлению значимого рычага, на который можно было бы нажать.

Как C-4 и C-276 сравниваются по объемной кислотоустойчивости - HCl и серной кислоте?

Haynes International описывает C-4 как обладающий «практически такой же коррозионной стойкостью», как и C-276, и он хорошо сохраняется в соляной кислоте, но опубликованные данные по кипящей серной кислоте показывают, что C-276 имеет значительно более низкую скорость коррозии, примерно половину от C-4, в диапазоне концентраций 10-30%.

Источник: таблицы коррозии соляной и серной кислоты Haynes International, таблицы данных сплавов HASTELLOY C-4 и C-276.

Это полезное,-подкрепленное данными исправление к распространенному сокращению, что C-4 — это «просто более свариваемый C-276». В частности, для работы с разбавленной-до-серной кислотой с умеренной температурой кипения сплав C-276 является более эффективным в правильно отожженном на твердый раствор или правильно сваренном состоянии. Реальное преимущество C-4 — это не стойкость к сырой кислоте, а гарантия того, что стойкость сплава не ухудшится в ЗТВ независимо от того, как было сварено оборудование.

Ни один из сплавов не предназначен для работы в сильно окисляющих кислотах: Хейнс вообще не публикует таблицу азотной кислоты для C-4, а собственные данные C-276 по азотной кислоте показывают, что скорость коррозии резко возрастает при более высоких концентрациях и температурах (18,42 мм/год при кипении 60 %, 22,12 мм/год при кипении 65 %). - оба сплава следует исключить при кипении концентрированной азотной кислоты. обязанность. Если движущей силой является окислительная или смешанная азотная кислота, более подходящими спецификациями являются сплавы с высоким содержанием хрома, такие как G-30, G-35 или C-22.

Как соотносятся механические свойства и характеристики изготовления?

C-4 и C-276 по существу имеют один и тот же класс прочности, и оба поставляются-отожженными без необходимости термообработки после сварки для защиты от коррозии, но C-4 подвергается отжигу и горячей ковке при немного более низкой температуре и не доступен в виде поковок, в то время как C-276 доступен.

Источник: данные Haynes International о растяжении, твердости и изготовлении, таблицы данных сплавов HASTELLOY C-4 и C-276.

Какие стандарты ASTM, ASME и отраслевые стандарты регулируют C-4 и C-276?

C-4 и C-276 имеют почти параллельные спецификации формы продукта ASTM/ASME для листов, стержней и труб, но они расходятся по двум моментам, которые стоит отметить в спецификации закупок: C-276 содержит специальную спецификацию поковок и квалификацию эксплуатации в кислой среде согласно NACE MR0175/ISO 15156, в то время как в опубликованной таблице спецификаций C-4 не указано ни того, ни другого.

Источник: таблицы «Спецификации и коды» Haynes International, таблицы данных сплавов HASTELLOY C-4 и C-276.

Какой сплав следует использовать в качестве-сварного химического технологического оборудования?

Укажите C-4, если тепловложение сварного шва невозможно точно измерить и контролировать - толстые-полевые сварные швы, много-проходной ремонт и цеха без квалифицированных процедур низкого-теплового-вложения; укажите C-276 там, где требуются поковки, где процедуры заводской сварки аттестованы и контролируется -вводимая мощность-или где более высокая критическая питтинговая температура и более низкая скорость кипящей-сернокислотной коррозии обеспечивают измеримое увеличение срока службы.

Выбирайте C-4 для:Сосуды и трубопроводы толстого сечения-изготовлены с использованием нескольких проходов сварки, где кумулятивное тепловое воздействие ЗТВ трудно ограничить.

Выбирайте C-4 для:Ремонтная сварка в полевых условиях, когда температуру и тепловложение между проходами невозможно измерить и обеспечить так, как это можно сделать в контролируемом цехе.

Выбирайте C-4 для:Оборудование, которое может подвергаться случайному воздействию при эксплуатации в диапазоне 650-1050 градусов (например, рядом с печами или в условиях неисправности), где устойчивость к сенсибилизации в процессе эксплуатации имеет такое же значение, как и сенсибилизация при сварке.

Выбирайте C-276 для:Кованые компоненты - фланцы, фитинги, корпуса клапанов -, поскольку C-276 соответствует спецификации поковок ASTM B564, а C-4 — нет.

Выбирайте C-276 для:Покупайте-сборное оборудование с соответствующими спецификациями процедуры сварки с низким-тепловым-вложением (WPS) и контролируемой температурой между проходами, где риск сенсибилизации C-276 хорошо контролируется.

Выбирайте C-276 для:Кипячение, разбавленная-до-умеренная (10-30 %) серная кислота и работа в средах с сильным хлоридным изъязвлением, где заметно более низкая скорость коррозии и более высокие значения CPT/CCT приводят к более длительному сроку службы.

Выбирайте C-276 для:Приложения для кислых-сервисов (NACE MR0175/ISO 15156), где C-276 содержит явное уточнение, а C-4 — нет.

В обоих случаях основополагающий инженерный принцип один и тот же, который Haynes International прямо заявляет для C-4: микроструктурная стабильность определяет, является ли тепловложение переменной, которой вы должны управлять, или той, которую вы можете в значительной степени игнорировать. Там, где условия сварки хорошо контролируются, эта переменная не имеет большого значения, а более широкий набор свойств и более широкая доступность C-276 часто делают его более экономичным и более устойчивым к коррозии. Там, где условия сварки невозможно строго контролировать, термическая стабильность C-4 устраняет самый крупный источник риска коррозии после сварки.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: В чем основная разница между Hastelloy C-4 и C-276?

A: В C-276 (UNS N10276) добавлено 4 % вольфрама и немного больше железа, чем в C-4 (UNS N06455), что придает C-276 более высокую питтинговую и щелевую стойкость в отожженном растворе-, но делает его гораздо более склонным к быстрому выделению границ зерен при нагреве во время сварки. C-4 удаляет вольфрам и, по словам компании Haynes International, является наиболее микроструктурно стабильным из широко используемых никель-хром-молибденовых сплавов.

Вопрос: Почему C-4 считается более подходящим для сварного оборудования, чем C-276?

A: Потому что C-4 требуется 2 часа при самой критической температуре (825 градусов), прежде чем разрушение границ зерен достигнет разрушительной глубины, тогда как C-276 достигает такого же повреждения всего за 3 минуты при температуре 925-1050 градусов. Эта примерно 40-кратная разница означает, что контроль тепловложения при сварке имеет решающее значение для C-276, но не имеет большого значения для C-4.

Вопрос: C-4 или C-276 в целом обладают лучшей коррозионной стойкостью?

A: Ни то, ни другое категорически не лучше. C-276 имеет более высокую критическую температуру питтинговой коррозии (150 градусов по сравнению с . 100 градусами для C-4) и более низкие скорости коррозии в кипящей разбавленной серной кислоте, но только в том случае, если контролируется погонная энергия при сварке. C-4 обеспечивает практически такую ​​же стойкость к коррозии в сварном состоянии, как и в деформированном, несварном состоянии, независимо от процедуры сварки.

Вопрос: Требуют ли C-4 и C-276 термообработку после сварки?

A: Ни один из сплавов не требует термообработки после-сварки для обеспечения коррозионной стойкости при нормальных условиях сварки; оба поставляются-отожженными. Однако процедуры изготовления C-276 обычно предусматривают контролируемое тепловложение и пределы температуры между проходами, чтобы избежать сенсибилизации на толстых срезах, а мера предосторожности C-4 не требуется.

Вопрос: Можно ли использовать Hastelloy C-4 там, где требуются поковки?

A: Нет, согласно опубликованной таблице спецификаций Haynes International, в которой не указаны спецификации поковок для C-4. C-276 соответствует стандарту ASTM/ASME B564/SB564 для поковок, что делает его подходящим выбором для кованых фитингов, фланцев и корпусов клапанов.

Вопрос: Подходят ли C-4 и C-276 для работы с азотной кислотой?

A: Нет. Haynes International не публикует данные о коррозии азотной кислотой для C-4, а опубликованные данные C-276 показывают, что скорость коррозии резко возрастает в концентрированной кипящей азотной кислоте (более 18 мм/год при кипении 60%). Для окислительной или смешанной азотнокислотной эксплуатации лучше подходят сплавы с высоким содержанием хрома, такие как G-30, G-35 или C-22.

Вопрос: Какие процессы сварки и присадочные металлы используются для C-4 и C-276?

A: Оба сплава хорошо подходят для GTAW, GMAW и SMAW. В C-4 используются соответствующие присадочные металлы ERNiCrMo-7 (голый провод) и ENiCrMo-7 (электрод с покрытием); В C-276 используются ERNiCrMo-4 и ENiCrMo-4.