VLIV MIKROSTRUKTURY NA ODOLNOST DUPLEXNÍ

METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
VLIV MIKROSTRUKTURY NA ODOLNOST DUPLEXNÍ OCELI 22/05
VŮČI SSC
Petr Jonštaa
Jaroslav Sojkaa
Petra Váňováa
Marie Sozańskab
a
b
VŠB-TUO, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR, www.vsb.cz
Silesian University of Technology, Krasińskiego 8, 400 19 Katowice, Poland
Abstract
In this paper results of SSC (Sulphide Stress Cracking) resistance of the duplex austeniteferrite steel of type 22/05 according to EURONORM 1.4462-X2CrNiMoN 22.5.3 are
summarized. Steel was tested in two different states. First of all in the as-received state after
rolling and secondly after annealing to the following regime: 675oC/5h/air, which produced a
discontinuous precipitation of the phase σ. The aim of this work was to show that resistance
of steel to SSC depends strongly on the microstructure (precipitation of minority phases in our
case) and other metallurgical factors such as chemical composition and heat treatment. The
resistance can’t be derived only from material hardness, which is a common engineering
approach. If this fact is not respected, a material non resistant to SSC can be chosen.
Abstrakt
Příspěvek se zabývá hodnocením odolnosti duplexní austeniticko-feritické oceli typu
22/05 s označením dle EURONORM 1.4462-X2CrNiMoN 22.5.3 vůči SSC (sulfidickému
praskání pod napětím). Ocel byla testována ve dvou různých stavech, a to ve výchozím stavu
po válcování a po žíhání režimem 675oC/5h/vzduch, které způsobilo precipitaci fáze σ. Cílem
práce bylo ukázat, že odolnost oceli vůči SSC silně závisí na mikrostruktuře (v našem případě
precipitaci minoritních fází) a dalších metalurgických faktorech, jako je chemické složení a
tepelné zpracování. Odolnost tedy nemůže být odvozována pouze z tvrdosti materiálu, jak
uvádí zcela nedostatečně inženýrský přístup. Jestliže tento fakt nebude akceptován, mohou
být vybírány materiály, které nebudou vůči SSC odolné.
1.
ÚVOD
Velké množství konstrukčních materiálů, včetně ocelí, je za provozu vystaveno působení
agresivních prostředí. Pro zajištění bezpečnosti a dlouhodobé spolehlivosti konstrukcí z těchto
materiálů vyrobených, musí být tyto materiály navrženy tak, aby agresivním vlivům prostředí
odolávaly. Mezi nejagresivnější složky prostředí patří sulfan, se kterým je možné se setkat při
těžbě, dopravě a skladování ropy a zemního plynu, tzn. v petrochemickém průmyslu.
Z kapalných i plynných prostředí obsahujících určitý podíl sulfanu, může pronikat do
materiálů vodík a způsobit jejich degradaci. Jedno z nejnebezpečnějších druhů poškození je
označováno jako sulfidické praskání pod napětím (Sulphide Stress Cracking – SSC) [1].
2.
EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL
Testování bylo provedeno na duplexní austeniticko-feritické oceli typu 22/05, o označení
dle EURONORM: 1.4462-X2CrNiMoN 22.5.3 (plech tloušťky 12 mm) ve výchozím stavu po
válcování a ve stavu po žíhání 675oC/5h/vzduch, kdy došlo k rozpadu části δ-feritu a vzniku
fáze σ. Předmětem zájmu zde bylo zejména ověřit, jak ovlivňují mikrostrukturní změny
(precipitace minoritních fází) odolnost ocelí vůči SSC.
1
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Chemické složení oceli je uvedeno v tabulce 1.
Tabulka 1. Chemické složení duplexní oceli (hm. %)
Table 1. Chemical composition of duplex steel (mass %)
C
0,019
Cr
22,67
Ni
5,48
Mo
2,98
Mn
1,68
Si
0,44
P
0,024
S
0,0002
N2
0,17
Mechanické vlastnosti oceli jsou uvedeny v tabulce 2., přičemž uvedené hodnoty
představují aritmetický průměr ze 2 tahových zkoušek.
Tabulka 2. Mechanické vlastnosti duplexní oceli (podélný směr)
Table 2. Mechanical properties of duplex steel (longitudinal direction)
stav oceli
po válcování
po žíhání
Rp0.2 [MPa]
540
534
Rm [MPa]
741
714
A5 [%]
33,5
28,5
Rp0.2/ Rm
0,73
0,75
Mikrostruktura oceli ve výchozím stavu po elektrolytickém naleptání 20 % vodným
roztokem NaOH je uvedena na obr. 1. Jedná se o austeniticko-feritickou strukturu, kdy obě
fáze tvoří převážně řádky orientované ve směru válcování.
zv. 500x
Obr. 1. Mikrostruktura duplexní oceli ve výchozím stavu, po naleptání NaOH
Fig. 1. Microstructure of duplex steel in the as rolled state, after etching with NaOH
Mikrostruktura oceli po žíhání režimem 675oC/5h/vzduch je uvedena na obr. 2. Jedná se
opět o směsnou austeniticko-feritickou strukturu, ale u části δ-feritu byl pozorován rozpad
spojený se vznikem fáze σ.
2
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
zv. 500x
Obr. 2. Mikrostruktura duplexní oceli po žíhání 675oC/5h/vzduch, po naleptání NaOH
Fig. 1. Microstructure of duplex steel after annealing 675oC/5h/air, after etching with NaOH
3.
VÝSLEDKY HODNOCENÍ ODOLNOSTI DUPLEXNÍ OCELI VŮČI SSC
Hodnocení odolnosti oceli vůči SSC bylo provedeno za použití tyčí kruhového průřezu o
jmenovitém průměru 3,81 mm, a to zcela v souladu s předpisem NACE TM 0177. Po
naplnění zkušebních cel korozním roztokem, jeho odplynění a nasycení sulfanem byly vzorky
zatíženy napětím, které odpovídalo určitému podílu zjištěné meze kluzu, a vystaveny expozici
v daném prostředí. Doba trvání expozice byla 720 hodin, pokud nedošlo k poškození zkušební
tyče dříve. Podrobnější popis zkušební metody je možno nalézt v [2]. Výsledky jsou uvedeny
v tabulce 3.
Tabulka 3. Výsledky hodnocení odolnosti duplexní oceli vůči SSC pro výchozí stav a stav po
žíhání 675oC/5h/vzduch
Table 3. Results of evaluation of resistance of duplex steel to SSC for the as rolled state and
for the state after annealing 675oC/5h/air.
výchozí stav po válcování
stav po žíhání 675oC/5h/vzduch
zatížení (% Rp0.2)
doba do lomu (h)
zatížení (% Rp0.2)
doba do lomu (h)
102
35,1
101
5,2
97
59,7
99
2,3
90
720*
93
55,7
91
720*
92
19,8
79
720*
81
116,1
79
720*
79
255,4
73
720*
72
720*
72
720*
69
720*
61
720*
61
720*
* za standardní dobu trvání zkoušky nedošlo k lomu
3
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Z tabulky je zřejmé, že ve stavu po válcování došlo k porušení pouze u dvou vzorků,
které byly namáhány na úrovni meze kluzu materiálu. Vzhledem k současné přítomnosti feritu
a austenitu lze předpokládat, že ve feritu mohlo místně dojít k překročení meze kluzu a mohl
se tedy uplatnit mechanizmus interakce vodík-plastická deformace, kdy dochází k výrazným
interakcím mezi vodíkem a dislokacemi a je možný transport vodíku spolu s nimi. Přitom ocel
mírně překračuje hodnotu meze pevnosti doporučovanou pro zajištění dobré odolnosti vůči
SSC. Ta je udávána jako 690MPa. V praxi je zatížení téměř výhradně elastické, tzn. toto
riziko nehrozí. Duplexní ocel typu 22/05 s čistě austeniticko-feritickou strukturou tedy
vykázala velmi dobrou odolnost vůči SSC.
Ve stavu po žíhání, které vyvolalo diskontinuální precipitaci fáze σ, byla situace odlišná.
Zde došlo k porušení při napětích na úrovni cca 80 % meze kluzu, tzn. došlo k výraznému
snížení odolnosti vůči SSC.
Porušené vzorky byly podrobeny faktografické analýze, jejíž výsledky jsou prezentovány
na obr. 3. – 5.
Obr. 3. Lomová plocha duplexní oceli, výchozí stav, 97 % Rp0.2, SEM
Fig. 3. Fracture surface of duplex steel, as rolled state, 97 % Rp0.2, SEM
4
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Obr. 4. Lomová plocha duplexní oceli, výchozí stav, 97 % Rp0.2, SEM
Fig. 4. Fracture surface of duplex steel, as rolled state, 97 % Rp0.2, SEM
Obr. 5. Lomová plocha duplexní oceli, stav po žíhání 675oC/5h/vzduch, 92 % Rp0.2, SEM
Fig. 5. Fracture surface of duplex steel, after annealing state 675oC/5h/air, 92 % Rp0.2, SEM
5
METAL 2005
24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí
___________________________________________________________________________
Výsledky fraktografického rozboru ukázaly, že na porušených vzorcích převládají oblasti
transkrystalického křehkého porušení, i když část lomu odpovídá porušení s jamkovou
morfologií. Zatímco oblasti austenitu se jeví spíše jako hladké fazety, v oblastech feritu
existuje významnější členitost štěpných fazet (identifikace fází byla určena mikroanalytickým
rozborem na základě obsahu Ni, Cr, Mo). Ve výchozím stavu došlo k porušení jen u vzorků
namáhaných na úrovni meze kluzu, po žíhání, které vedlo k precipitaci fáze σ, byla
morfologie lomových ploch obdobná, ale vyskytovaly se oblasti, které svědčily o přednostním
napadení oblastí, kde byla pravděpodobně přítomna σ fáze (obr. 5.). Lze tedy říci, že
diskontinuální precipitace fáze σ, která vznikla jako důsledek žíhání oceli při teplotě 675oC,
způsobila nezanedbatelný pokles odolnosti duplexní feriticko-austenitické oceli vůči SSC. I
v případě duplexní oceli se tedy ukazuje, že odolnost vůči SSC závisí významně na struktuře
materiálu.
4.
Závěr
Cílem práce bylo otestovat odolnost duplexní austeniticko-feritické oceli typu 22/05
s označením dle EURONORM: 1.4462-X2CrNiMoN 22.5.3 vůči SSC. Ocel byla testována
jednak ve výchozím stavu po válcování a jednak ve stavu po žíhání režimem
675oC/5h/vzduch. Ve výchozím stavu, kde nedošlo k precipitaci minoritních fází a struktura
byla výhradně austeniticko-feritická, prokázala testovaná duplexní austeniticko-feritická ocel
velmi dobrou odolnost vůči SSC. Ve stavu po žíhání došlo k rozpadu části δ-feritu a ke
diskontinuální precipitaci σ fáze, což mělo za následek nezanedbatelný pokles odolnosti
duplexní austeniticko-feritické oceli vůči SSC.
Ukázalo se, že odolnost duplexní austeniticko-feritické oceli typu 22/05 je strukturně
závislá a v našem případě ji přítomnost σ fáze zhoršuje.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
TIMMINS, P., F.:Solution to Hydrogen Attack in Steels, USA, 1997, 198 s.
SOJKA, J., VÁŇOVÁ, P., JONŠTA, P., RYTÍŘOVÁ, L.: Hodnocení degradace ocelí
vlivem vodíku. Závěrečná zpráva projektu PROGRES, VŠB-TU Ostrava, 2004.
JONŠTA, P., VÁŇOVÁ, P., SOJKA, J., KUBEČKA, P.: Odolnost moderních
konstrukčních ocelí vůči degradaci v prostředí sulfanu. Zeszyty naukowe, z. 78,
Polytechnika Opolska, 2004, s. 93–98.
NACE Standard TM 0177-96: Laboratory Testing of Metals for Resistance to
Sulfide Stress Cracking in H2S Environments, NACE Int., Houston Texas, USA, 2003,
35 s.
Tato práce vznikla za podpory Grantové agentury ČR, projekt č. 106/04/0235 a č.
106/04/P028.
6