Różnice w wydajności pasków wykonanych z różnych materiałów w środowiskach o wysokiej temperaturze

Wydajność materiałów kołnierzowych w warunkach wysokotemperaturowych różni się znacznie w zależności od takich czynników jak utrzymanie wytrzymałości, odporność na utlenianie, odporność na pełzanie, stabilność termiczna, oraz kompatybilność chemiczna ze środowiskiem procesowym. Poniżej znajduje się szczegółowa ocena oparta na typowych kategoriach materiałowych.

1. Kołnierze ze stali węglowej (np. Q235, stal 20#)

Stal węglowa jest ogólnie odpowiednia do zastosowań w niskich i średnich temperaturach. Jej wytrzymałość gwałtownie maleje wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład granica plastyczności stali 20# spada z około 245 MPa w temperaturze pokojowej do około 180 MPa w temperaturze 400°C, co stanowi utratę ponad 30%. Powyżej 450°C materiał staje się coraz bardziej podatny na gruboziarnistość z powodu sferoidyzacji perlitu, co może ostatecznie prowadzić do uszkodzenia na skutek pełzania.

Pod względem odporności na utlenianie stal węglowa wypada słabo. Utlenianie zaczyna przyspieszać powyżej 300°C, z tworzeniem się luźnej warstwy tlenku Fe₃O₄. W temperaturze 500°C szybkość utleniania może być pięciokrotnie wyższa niż w temperaturze 300°C. Jeśli w środowisku obecne są związki siarki lub para wodna, korozja utleniająca jest dodatkowo nasilana, ograniczając niezawodność materiału w takich warunkach.

2. Kołnierze ze stali nierdzewnej austenitycznej (np. 304, 316)

Austenityczne stale nierdzewne są szeroko stosowane w wysokich temperaturach i korozyjnych środowiskach ze względu na ich doskonałą odporność na utlenianie i stabilność termiczną. Typ 304 może być stosowany w temperaturach do około 870°C, podczas gdy 316L, który zawiera molibden, zachowuje dobrą wytrzymałość (granica plastyczności ≥120 MPa) do 650°C. Ich wysoka zawartość chromu (18–20%) umożliwia tworzenie gęstej warstwy pasywnej Cr₂O₃, która znacznie spowalnia utlenianie. Na przykład w temperaturze 800°C szybkość utleniania 304/316 jest o ponad 90% niższa niż w przypadku stali węglowej.

Jednak austenityczne stale nierdzewne nie są pozbawione ograniczeń. Długotrwałe narażenie w zakresie temperatur 450–850°C może prowadzić do uczulenia, gdzie węgliki chromu wytrącają się na granicach ziaren, powodując korozję międzykrystaliczną. Problem ten można złagodzić poprzez obróbkę stabilizującą, taką jak stosowanie gatunków stabilizowanych tytanem, takich jak stal nierdzewna 321.

Kolejnym problemem jest odkształcenie na skutek pełzania. Powyżej 650°C szybkość pełzania znacznie wzrasta, co wymaga zmniejszenia dopuszczalnego naprężenia obliczeniowego. Na przykład w temperaturze 700°C dopuszczalne naprężenie 316L może spaść do zaledwie około 15% jego wartości w temperaturze otoczenia.

3. Kołnierze ze stali nierdzewnej duplex (np. 2205, 2507)

Stale nierdzewne duplex oferują równowagę między wytrzymałością a odpornością na korozję, co czyni je opłacalnym rozwiązaniem w umiarkowanie wysokich temperaturach, w środowiskach agresywnych. Typ 2205 jest zwykle stosowany w temperaturach do 300°C, podczas gdy 2507 może być stosowany do 350°C. W temperaturze 300°C 2205 zachowuje granicę plastyczności przekraczającą 400 MPa, co jest prawie dwukrotnie większe niż w przypadku stali nierdzewnej 304.

Pomimo zalet w zakresie wytrzymałości, stale duplex są mniej stabilne termicznie niż gatunki austenityczne w podwyższonych temperaturach. Powyżej 350°C faza ferrytyczna staje się podatna na wzrost ziarna i zmniejszoną odporność na pełzanie. Ta przyspieszona utrata integralności mechanicznej ogranicza ich przydatność do długotrwałej pracy w wysokich temperaturach.

4. Kołnierze ze stali stopowej chromowo-molibdenowej (np. 15CrMo, P91)

Stale stopowe Cr-Mo są specjalnie zaprojektowane do środowisk wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych, takich jak elektrownie i systemy kotłowe. Ich wydajność mechaniczna w takich warunkach znacznie przewyższa wydajność stali węglowych i standardowych stali nierdzewnych.

Stal 15CrMo, zawierająca 1–1,5% chromu i około 0,5% molibdenu, nadaje się do temperatur roboczych do 550°C. W temperaturze 500°C nadal zachowuje granicę plastyczności powyżej 200 MPa. Stal P91, wysokowydajny stop 9%Cr–1%Mo, jest zdolna do długotrwałej pracy poniżej 650°C z doskonałą odpornością na pełzanie. Na przykład w temperaturze 600°C przez ponad 100 000 godzin wytrzymałość na pełzanie P91 pozostaje na poziomie około 100 MPa, w porównaniu do zaledwie 40 MPa dla 15CrMo.

Materiały te łączą wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach z dobrą odpornością na utlenianie, dzięki czemu dobrze nadają się do wymagających warunków termicznych i ciśnieniowych.

5. Kołnierze ze stopów na bazie niklu (np. Inconel 625, Hastelloy C-276)

Stopy na bazie niklu reprezentują najwyższy poziom wydajności zarówno w ekstremalnych temperaturach, jak i w wysoce korozyjnych środowiskach. Inconel 625 zachowuje wytrzymałość na rozciąganie powyżej 100 MPa nawet w temperaturze 1093°C, podczas gdy Hastelloy C-276 zapewnia doskonałą odporność na utlenianie do 1200°C. Stopy te oferują również wyjątkową odporność na pełzanie. Na przykład w temperaturze 800°C Hastelloy C-276 ma wytrzymałość na pełzanie w przybliżeniu pięciokrotnie większą niż stal nierdzewna 316L.

Ich wyjątkowa odporność na korozję wynika z wysokiej zawartości niklu (≥50%), chromu (20–30%) i molibdenu (10–16%). Ta kombinacja umożliwia odporność na szeroki zakres mechanizmów degradacji, w tym utlenianie, pękanie korozyjne naprężeniowe i korozję międzykrystaliczną — nawet w najbardziej agresywnych środowiskach chemicznych. Na przykład w zastosowaniach w przemyśle chemicznym węgla, gdzie zgazowacze pracują w temperaturze 650°C i zawierają H₂S i CO₂, tylko stopy na bazie niklu mogą zapewnić niezawodne działanie przez ponad 20 lat eksploatacji.

Wnioski

W zastosowaniach wysokotemperaturowych wybór materiału na kołnierze musi uwzględniać nie tylko progi temperaturowe, ale także długoterminową wydajność mechaniczną i odporność na korozję.

• Stal węglowa jest ekonomiczna, ale ograniczona do niższych temperatur i środowisk niekorozyjnych.

• Austenityczne stale nierdzewne oferują ulepszoną odporność na korozję w wysokich temperaturach, ale są wrażliwe na uczulenie i pełzanie.

• Stale nierdzewne duplex zapewniają wysoką wytrzymałość w umiarkowanych temperaturach, ale szybko degradują się w podwyższonych temperaturach.

• Stale stopowe Cr-Mo są zoptymalizowane do pracy w wysokich ciśnieniach i wysokich temperaturach z dużą odpornością na pełzanie.

• Stopy na bazie niklu zapewniają niezrównaną wydajność w ekstremalnych warunkach, choć przy znacznie wyższych kosztach.

Staranna ocena temperatury roboczej, ciśnienia i składu medium jest niezbędna do wyboru odpowiedniego materiału kołnierza, aby zapewnić bezpieczeństwo, trwałość i opłacalność.