Сталь 321H и пластина 321: в чем разница?

321 ипластина из нержавеющей стали 321Hоба являются превосходными аустенитными марками,-стабилизированными титаном, но это не одно и то же. В этой статье вы увидите, чем именно отличаются их химический состав, механические свойства, поведение при высоких-температурах и реальное-применение.

Что такое 321 и 321H?

И 321, и 321H представляют собой аустенитные нержавеющие стали, стабилизированные титаном. Стабилизация означает, что в сплав добавляется титан (обычно в 5 раз больше углерода, минимум 0,10%).

Титан имеет гораздо более сильное притяжение к углероду, чем хром. Когда сталь нагревается (во время сварки или работы при высоких-температурах), титан сначала захватывает углерод, образуя безвредные карбиды титана. Это предотвращает образование карбидов хрома на границах зерен – причины межкристаллитной коррозии (часто называемой «распадом сварного шва»).

Таким образом, оба сорта устойчивы к сенсибилизации. Однако сталь 321H разработана специально для применения в условиях высоких-температур, где решающее значение имеют предел ползучести и устойчивость к разрушению под напряжением.

Химический состав: разница в углероде

В таблице ниже показаны основные химические различия согласно ASTM A240.

Источник: ASTM A240/A240M.

О чем говорят цифры:

321 допускает содержание углерода до 0,08 %, но не имеет нижнего предела.. 321H требует содержания углерода не менее 0,04 % и допускает до 0,10 %. Этот дополнительный углерод в сочетании с титаном образует больше карбидов титана при работе при высоких-температурах. Эти карбиды «закрепляют» границы зерен и предотвращают их скольжение под напряжением – механизм, называемый дисперсионным упрочнением. Вот почему 321H имеет более высокую прочность на ползучесть, чем 321.

Механические свойства: комнатная температура по сравнению с высокой температурой

При комнатной температуре 321 и 321H имеют почти идентичные механические свойства. Разница становится существенной, как только температура превышает 1000 градусов по Фаренгейту (537 градусов).

Свойства при комнатной температуре (в отожженном состоянии)

Источники: ASTM A240, ASME SA-240.

Высокие-температурные свойства

Марка «H» специально разработана для эксплуатации при повышенных температурах. Ниже приведено сравнение допустимых напряжений при высоких температурах в соответствии с разделом II ASME, часть D.

Источник данных: Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел II, часть D.

Что это означает: при температуре 1500 градусов F (816 градусов) 321H может безопасно выдерживать на 87% большую нагрузку, чем 321. Это огромная разница для оборудования, которое постоянно работает под нагрузкой, например, трубы пароперегревателя или сосуда под давлением на нефтехимическом заводе.

Сравнение прочности на ползучесть

Ползучесть — это медленная, необратимая деформация, которая возникает, когда металл находится под напряжением при высокой температуре. Для долгосрочной-службы прочность на ползучесть зачастую более важна, чем кратковременная-прочность на растяжение.

При температуре 1200 градусов по Фаренгейту (649 градусов) и давлении 10 000 фунтов на квадратный дюйм:

321 разорвется примерно через 5000 часов.

321H разорвется примерно через 10 000 часов – в два раза дольше.

При температуре 1400 градусов F (760 градусов) под давлением 5000 фунтов на квадратный дюйм:

321 разрыв примерно за 1000 часов

321H служит более 3000 часов.

Вот почему нормы по сосудам под давлением (раздел VIII ASME) требуют использования стали 321H для длительной-высокой-работы при высоких температурах, когда ползучесть является конструктивным фактором.

Физические свойства

Оба сорта имеют почти идентичные физические свойства, поскольку их базовый состав очень похож.

Оба сорта остаются не-магнитными после отжига. Холодная обработка (сгибание, прокатка) может вызвать небольшое намагничивание, но это не влияет на работу при высоких-температурах.

Коррозионная стойкость

Поскольку обе марки стабилизированы титаном,-они обладают одинаковой стойкостью к межкристаллитной коррозии. Ни один из них не пострадает от «разрушения сварного шва» после сварки или воздействия температур от 800 до 1600 градусов по Фаренгейту (425–870 градусов).

В других агрессивных средах:

• Общая коррозия:Оба они устойчивы к окислению и образованию накипи при температуре примерно до 1500 градусов F (816 градусов) при непрерывной эксплуатации и до 1600 градусов F (871 градус) при периодической эксплуатации.

• Кислотостойкость:Оба имеют одинаковую устойчивость к разбавленным кислотам, но ни один из них не подходит для сильных восстановительных кислот (таких как соляная или горячая серная кислота).

• Хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением (SCC):Как и все аустенитные нержавеющие стали, марки 321 и 321H могут растрескиваться в горячих растворах хлоридов при температуре выше 140 градусов F (60 градусов). Для эксплуатации в морской воде или рассоле при высоких температурах рассмотрите дуплексные или супер-аустенитные марки.

Важное примечание: коррозионная стойкость обеих марок является наилучшей в отожженном состоянии (нагретом до 1850–2050 градусов по Фаренгейту / 1010–1120 градусов и быстро охлажденном). Благодаря стабилизации титана термообработка после-сварки не требуется, что является большим преимуществом по сравнению с не-стабилизированными марками, такими как 304 или 304H.

Свариваемость и изготовление

И 321, и 321H прекрасно свариваются. Их можно соединить с помощью TIG, MIG, контактной или дуговой сварки под флюсом. Используйте подходящие присадочные материалы: ER321 для сварки TIG/MIG и E347 (или E321) для сварки электродом. Титан стабилизирует сварочную ванну, предотвращая осаждение карбида хрома в зоне термического влияния.

Для обеих марок не требуется предварительный подогрев, даже для толстых сечений. Термическая обработка после-сварки также не требуется: вы можете сваривать и подвергать оборудование непосредственно воздействию высоких-температур, не беспокоясь о повышении чувствительности.

Формовка и механическая обработка. И то, и другое-затвердевает быстро. Для обработки используйте острые инструменты, низкие скорости резания и большое количество СОЖ. При холодной штамповке (гибке, прокатке) учитывайте пружинение — сталь 321H с немного более высоким содержанием углерода может быть немного сложнее формовать.

Стандарты и спецификации

Всегда запрашивайте Сертификат заводских испытаний (MTC), подтверждающий правильный сорт.

Приложения: когда использовать какие?

Выбирайте 321 (Стандартный) Когда:

Температуры умеренные – ниже 1000 градусов F (537 градусов) для непрерывной работы.

Вам не нужна максимальная прочность на ползучесть – например, в вытяжных трубах, не сильно нагруженных частях печей или теплообменниках, работающих под низким давлением.

Оборудование будет подвергаться циклическому нагреву и охлаждению — 321 немного более устойчив к термической усталости, чем 321H, поскольку в нем меньше карбидов.

Стоимость является решающим фактором: 321 обычно дешевле и более широко доступен, чем 321H.

Выбирайте 321H, когда:

Температура превышает 1000 градусов F (537 градусов) – особенно выше 1200 градусов F, когда ползучесть становится проблемой.

Оборудование находится под постоянным напряжением – сосуды под давлением, трубы пароперегревателей котлов, трубопроводы нефтеперерабатывающих заводов и химические реакторы.

Требуется длительный срок службы: 321H может удвоить или утроить срок службы компонента по сравнению со 321 при высоких температурах.

Кодекс ASME требует класса «H» — многие нормы по котлам и сосудам под давлением требуют использования классов H для работы при повышенных-температурах.

Вы свариваете толстые секции: немного более высокий уровень углерода в 321H обеспечивает лучшую жаропрочность в зоне термического-воздействия.

Заключение

Разница между пластинами из нержавеющей стали 321 и 321H сводится к содержанию углерода.

321 — это превосходная универсальная нержавеющая сталь, стабилизированная титаном, для применения при температурах до 1000 градусов F (537 градусов). Он противостоит межкристаллитной коррозии, легко сваривается и не требует послесварочной термообработки.

321H — это версия с высоким содержанием углерода, предназначенная для долгосрочной эксплуатации при нагрузках при температурах выше 1000 градусов F (537 градусов). При температуре 1500 градусов по Фаренгейту он обеспечивает почти двойное допустимое напряжение по сравнению со стандартом 321, что делает его единственным безопасным выбором для оборудования, работающего под высоким давлением и при высоких температурах.

Так какой из них вам купить?

Если ваша рабочая температура ниже 1000 градусов по Фаренгейту и ползучесть не является проблемой конструкции, стандарт 321 вполне подойдет. Если ваше оборудование будет постоянно работать при температуре выше 1000 градусов по Фаренгейту при значительном давлении или нагрузке, лучшим вариантом будет 321H.