Нержавеющая сталь 316L VS 2205 дуплекс в биомедицине

Фармацевтическая и биотехнологическая промышленность предъявляет относительно высокие требования к стальным материалам, используемым в перерабатывающих сосудах и трубопроводных системах, которые должны обладать отличной коррозионной стойкостью и чистотой для обеспечения чистоты и качества лекарственного продукта, они также должны быть способны переносить производственную среду и процессы дезинфекции и очистки температуры, давления и коррозии, а также обладать хорошей свариваемостью и удовлетворять требованиям отрасли к отделке поверхности.

316L (UNS S31603, EN 1.4404) Аустенитная нержавеющая сталь является основным материалом для оборудования в производстве фармацевтической и биотехнологической промышленности. Нержавеющая сталь 316L обладает превосходной коррозионной стойкостью, свариваемостью и свойствами электролитической полировки, что делает ее идеальным материалом для большинства фармацевтических применений. Хотя нержавеющая сталь 316L хорошо работает во многих технологических средах, заказчики продолжают улучшать характеристики нержавеющей стали 316L путем тщательного выбора конкретного химического состава нержавеющей стали 316L и использования усовершенствованных производственных процессов, таких как электрошлаковый переплав (ESR).

Для высококоррозионных сред клиенты, которые могут принять повышенные эксплуатационные расходы, могут продолжать использовать нержавеющую сталь 316L, либо выбрать молибденовую супер-аустенитную нержавеющую сталь 6% с более высоким составом сплава, например, AL-6XN® (UNS N08367) или 254 SMO® (UNS S31254, EN 1.4547). В настоящее время двухфазная нержавеющая сталь 2205 (UNS S32205, EN 1.4462) также используется в производстве технологического оборудования в этой отрасли.

Микроструктура нержавеющей стали 316L включает в себя фазу аустенита и очень небольшое количество фазы феррита, которая образуется в основном при добавлении в сплав достаточного количества никеля для стабилизации фазы аустенита. Содержание никеля в нержавеющей стали 316L обычно составляет 10-11%. Дуплексная нержавеющая сталь 2205 образуется путем снижения содержания никеля до примерно 5% и регулировки добавленного марганца и азота до образования примерно 40-50% феррита и содержит примерно одинаковое количество ферритной фазы и микроструктуры аустенитной фазы, с большой или значительной коррозионной стойкостью. Увеличение содержания азота и мелкозернистая микроструктура дуплексной нержавеющей стали 2205 делают ее более прочной, чем обычные аустенитные нержавеющие стали, такие как 304L и 316L. В условиях отжига предел текучести дуплексной нержавеющей стали 2205 примерно в два раза выше, чем у нержавеющей стали 316L. Благодаря более высокой прочности, допустимое напряжение дуплексной нержавеющей стали 2205 может быть гораздо выше, в зависимости от проектных спецификаций технологического оборудования. Это позволяет уменьшить толщину стенок и снизить стоимость во многих областях применения. Рассмотрим сравнение химического состава и механических свойств между 316L и 2205 (указано в стандарте ASTM A240)

ГрадусыUNSCMnPSSiCrNiMoN
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
ГрадусыПрочность на разрыв, Мпа (ksi)Предел текучести Mpa (ksi)УдлинениеТвердость, HRB (HRC)
316/316L515(75)205(30)40%217(95)
2205655(95)450(65)25%29331()

Показатели коррозионной активности

Стойкость к точечной коррозии

В фармацевтической и биотехнологической промышленности наиболее распространенной коррозией нержавеющей стали является точечная коррозия в хлоридной среде. Дуплексная нержавеющая сталь 2205 имеет более высокое содержание хрома, молибдена и азота, что значительно превосходит нержавеющую сталь 316L по стойкости к точечной и щелевой коррозии. Относительная коррозионная стойкость нержавеющей стали может быть определена путем измерения температуры (критической температуры коррозии), необходимой для образования точечной коррозии в стандартном испытательном растворе хлорида железа 6%. Критическая температура коррозии (КТР) дуплексной нержавеющей стали 2205 находится между нержавеющей сталью 316L и молибденовой супер-аустенитной нержавеющей сталью 6%. Следует отметить, что данные CPT, измеренные в растворе хлорида железа, являются надежной оценкой стойкости к питтингу хлорид-ионами и не должны использоваться для прогнозирования критической температуры коррозии материала в других хлоридных средах.

Коррозионное растрескивание под напряжением

При температуре выше 150°F (60°C) нержавеющая сталь 316L склонна к образованию трещин под совместным воздействием растягивающего напряжения и хлорид-ионов, и эта катастрофическая коррозия известна как хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). При выборе материалов в условиях горячей жидкости следует избегать использования нержавеющей стали 316 в присутствии хлорид-ионов и при температуре 150°F (60°C) или выше. Как показано на рисунке ниже, дуплексная нержавеющая сталь 2205 может выдерживать SCC при температуре не менее 250°F (120°C) в простом солевом растворе.

Свойства обработки

Обработка дуплексной нержавеющей стали 2205 во многом схожа с обработкой 316L, но все же есть некоторые различия. При обработке холодной штамповкой необходимо учитывать более высокую прочность и характеристики упрочнения двухфазной нержавеющей стали, может потребоваться оборудование с более высокой нагрузочной способностью, а при эксплуатации нержавеющая сталь 2205 будет проявлять более высокую упругость, чем стандартные аустенитные марки нержавеющей стали. Более высокая прочность дуплексной нержавеющей стали 2205 делает ее более трудной для резки, чем 316L.

Дуплексная нержавеющая сталь 2205 может свариваться так же, как и нержавеющая сталь 316L. Однако необходимо строго контролировать подачу тепла и температуру межслоевой обработки, чтобы поддерживать ожидаемое соотношение фаз аустенита и феррита и избежать выпадения вредных интерметаллических фаз. Во избежание этих проблем сварочный газ содержит небольшое количество азота. При квалификации сварки дуплексной нержавеющей стали обычно используется метод оценки соотношения аустенит-феррит с помощью ферритового тестера или металлографического исследования. Метод испытания ASTM A 923 обычно используется для проверки наличия вредных интерметаллических фаз. Рекомендуемым присадочным металлом для сварного шва является ER2209 (UNSS39209, EN 1600). Сварка оплавлением рекомендуется только в том случае, если после сварки можно провести обработку отжигом сварочного раствора для восстановления коррозионной стойкости. При этом не используется присадочный металл. Чтобы выполнить отжиг раствором, детали нагревают до температуры не менее 1900°F (1040°C), а затем быстро охлаждают.

Проникновение и текучесть дуплексной нержавеющей стали 2205 хуже, чем у нержавеющей стали 316L, поэтому скорость сварки ниже, а форма шва должна быть изменена. Дуплексная нержавеющая сталь 2205 требует более широкого угла канавки, большего корневого зазора и меньшей тупой кромки, чем нержавеющая сталь 316L, чтобы получить полностью проплавленный сварной шов. Если сварочное оборудование позволяет использовать присадочную проволоку, то 2209 присадочная проволока используется для путевой сварки труб из нержавеющей стали 2205, или присадочная проволока может быть использована вместо соответствующей легирующей расходной вставки.

Электролитическая полировка

Многие фармацевтические и биотехнологические приложения требуют, чтобы поверхность, контактирующая с продуктом, была электролитически отполирована, поэтому высококачественные электролитически отполированные поверхности являются важным свойством материала. Нержавеющая сталь 2205 Duplex может быть электролитически отполирована до чистоты 15 микродюймов (0,38 микрон) или выше, что превышает стандарт ASME BPE для чистоты поверхности электролитически полированных поверхностей, но электролитически полированная поверхность нержавеющей стали 2205 не такая яркая, как поверхность нержавеющей стали 316L. Эта разница объясняется несколько большей растворимостью металла в феррите по сравнению с аустенитом в процессе электрополировки.

Сварка нержавеющей стали в обратном щите

Быстрое развитие нефтехимической промышленности имеет более высокие требования к сварке труб из нержавеющей стали и пластины, ранней нержавеющей стали сварки подложки быть вымыты постепенно и теперь более с использованием аргонодуговой сварки подложки сварки, с большей чистотой и более высокой эффективностью. В то же время есть также появились некоторые проблемы, а именно, процесс сварки с аргонодуговой сварки нержавеющей стали базы обратно быть окислены легко и производить дефекты так на спине меры защиты должны быть приняты, так поддержания механических свойств сварного шва и коррозионной стойкости и т.д., сегодня здесь мы представили несколько видов широко используемых нержавеющей стали сварки обратно методы защиты:

Обратное экранирование с помощью Ar

В качестве защитного газа обычно используется чистый аргон и смешанный газ. На самом деле, определенная пропорция смешанного газа аргона и азота более благоприятна для сварки аустенитной нержавеющей стали. Некоторые виды инертного газа не используются из-за высокой стоимости. Заполнение аргоном является наиболее часто используемым методом обратной защиты, который характеризуется хорошим эффектом, простотой эксплуатации, высокой степенью очистки и высокой квалификацией. Его можно разделить на аргоновую защиту защитного кожуха, аргоновую защиту локального заполнения, аргоновую защиту сварного соединения и т.д.

Защитная крышка заполнение аргоном

Используется при сварке листов нержавеющей стали и труб большого диаметра. Металлический щит, соединенный трубой и аргоновым шлангом, делает щит заполненным газом аргоном, сварщик ручной металлической трубы в качестве ручки делает щит на спине расплавленного бассейна скольжения и пластины или трубы сварки вместе, такие делая, что спина получила эффективную защиту, значительно уменьшить трату аргона.

Местное заполнение аргоном

Используется при локально малом пространстве или коротком размере трубопровода. Сварочный шов трубопровода должен быть заклеен клейкой лентой (для предотвращения утечки воздуха), а оба конца трубопровода должны быть заклеены губкой, клейкой лентой или бумагой и т.д. Один конец аргонового шланга должен быть заполнен аргоном. На другом конце трубы лучше сделать небольшое отверстие (губка не обязательна), что способствует окончательной заделке сварочного соединения и не будет провисать из-за чрезмерного внутреннего давления. Недостатками являются медленное заполнение аргоном и дороговизна.

Сварное соединение, заполненное аргоном

Для слишком длинных и больших по диаметру трубопроводов стоимость местного заполнения аргоном высока, а качество не может быть гарантировано, поэтому можно напрямую использовать методы сварки стыков, заполненных аргоном. Об аргоновой защите можно судить по цвету внутренних сварных швов, и сварщики могут регулировать аргон в зависимости от цвета для достижения наилучшей защиты. Белый и золотой цвета являются лучшими, а серый и черный - худшими. Но в процессе работы есть несколько советов по обратной защите нержавеющей стали:

(1) Перед аргонодуговой сваркой можно защитить свариваемые детали, предварительно заполнив аргоном с большим потоком с обратной стороны, после выпуска воздуха поток постепенно уменьшается. Во время процесса сварки заполняйте трубу аргоном непрерывно и прекращайте после завершения сварки. Кроме того, сварку можно проводить только после выпуска воздуха, иначе пострадает защитный эффект от заполнения аргоном.

(2) Расход аргонового газа должен быть соответствующим. Слишком маленький поток не обеспечивает хорошей защиты, обратная сторона сварного шва легко окисляется; чрезмерный поток вызовет вогнутые дефекты в корне шва и повлияет на качество сварки.

(3) Входное отверстие для аргона должно быть расположено как можно ниже в закрытой секции, а выходное отверстие для воздуха должно быть расположено немного выше. Поскольку аргон тяжелее воздуха, зарядка его из нижнего положения обеспечивает более высокую концентрацию и лучшую защиту.

(4) Для того чтобы уменьшить утечку аргона из стыкового зазора, перед сваркой можно использовать клейкую ленту вдоль сварочного зазора, оставляя сварщику только длину непрерывной сварки, а во время сварки клейкую ленту можно удалить.

Самозащитная сварочная проволока

Обратная самозащитная проволока - это вид сварочной проволоки с флюсовым покрытием. Во время сварки защитное покрытие проникает в сварочную ванну и образует плотный защитный слой, благодаря чему обратная сторона сварочной бусины не окисляется. После охлаждения защитный слой автоматически отпадает и очищается с помощью продувочного опрессовки.

Самозащитная сварка проволока из нержавеющей стали не ограничивается различными условиями сварки, а работа выполняется быстро и просто. Но поскольку при порошковом покрытии может появиться дым и ядовитый газ, а также провисание и другие дефекты, поэтому к сварщикам предъявляются определенные требования. Самозащитная проволока подходит для сварки подложки из-за высокой стоимости. Метод сварки этой проволокой в основном такой же, как у обычной порошковой аргонодуговой проволоки, а металл шва может соответствовать требованиям по производительности.

Можно ли сварить вместе стальной лист ASTM A387 Gr22 и 304?

Сварка разнородных сталей имеет широкое применение в таких областях, как аэрокосмическая, нефтехимическая промышленность, машиностроение. Разнородная сталь действительно отличается по химическому составу, металлургической совместимости и физическим свойствам и т.д., что приведет к миграции элементов сплава, неравномерному химическому составу и металлографическим организациям в процессе сварки, а также может вызвать тепловое напряжение и сварочную деформацию или трещины, что приведет к снижению механических свойств сварных соединений. В данной работе был проведен анализ свариваемости сварных соединений разнородных сталей ASTM A387 GR22 из хромомолибденовой стали и нержавеющей стали S30408, выбраны соответствующие методы сварки, сварочные материалы и параметры сварочного процесса, а также послесварочная термическая обработка.

ГрадусыCSiMnCrMoCuNiNPS
A387 GR220.110.350.462.211.060.120.22/0.010.006
3040.050.621.8319.16//8.970.060.0270.015
Сравнение химического состава

S30408 - широко используемая аустенитная нержавеющая сталь, ASTM A387 GR22 - низколегированная жаропрочная сталь с хорошей высокотемпературной стойкостью и устойчивостью к водороду, в основном используется в реакторе гидрогенизационной установки, теплообменнике и другом оборудовании. Хром и молибден могут значительно улучшить прокаливаемость стали, а металл шва и зона термического влияния могут образовать микроструктуру, чувствительную к холодному растрескиванию при определенной скорости охлаждения. Прогрессирующее охрупчивание происходит, когда общее содержание опасных остаточных металлов превышает допустимый предел при температуре 350-550℃ в течение длительных периодов эксплуатации. Основными трудностями, с которыми приходится сталкиваться, являются:

  • Разбавление сварного шва

В процессе сварки металл шва разбавляется осажденным металлом. В металле шва вблизи зоны сплавления с одной стороны стального листа ASTM A387 GR22 образуется переходный слой. Состав переходного слоя отличается от состава металла шва. Чем выше содержание сплава основного металла, тем выше коэффициент сплавления и тем выше скорость разбавления. В переходном слое со стороны ASTM A387 GR22 может образоваться хрупкая мартенситная структура из-за разбавления.

  • Миграция углерода

Хром и атомы углерода при высокой температуре легко образуют соединения карбида хрома, ASTM A387 Gr22 стальной лист стороны образует атомы углерода из области обезуглероживания из-за плохого хрома в процессе сварки, в свою очередь, смягчение, крупное зерно, повышение хрупкости, коррозионной стойкости, и S30408 стороны для обогащения хрома и атомов углерода для формирования карбюризации миграции слоя, и закалка, размер зерна и производительность лучше.

  • Сварочное напряжение

Из-за разной теплопроводности и коэффициента линейного расширения двух материалов в зоне высоких температур в процессе сварки будет возникать тепловое напряжение, которое невозможно устранить, что приведет к дополнительному напряжению вблизи сварного шва и зоны сплавления, а также сварочное остаточное напряжение, возникающее в процессе охлаждения из-за непоследовательной усадки, что приведет к образованию трещин на боковой поверхности стального листа ASTM A387GR22.

После ознакомления с возможными проблемами, материалами для данного эксперимента являются листы нержавеющей стали ASTM A387GR22 и S30408, с техническими характеристиками 400мм×150мм×10мм. Химический состав этих двух материалов представлен в таблице:

  • Метод сварки

Для того чтобы уменьшить разбавление сварочных швов и предотвратить образование холодных трещин и трещин повторного нагрева, сварочный материал из сплава на основе никеля во время сварки сначала наплавляется на сторону ASTM A387GR22. Выбираются методы сварки с малым коэффициентом проплавления и низкой степенью разбавления, такие как аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом и дуговая сварка электродом. В данном эксперименте аргонодуговая сварка используется в качестве подложки, а метод сварки дуговой сварки - в качестве покрытия.

  • Сварочные материалы

Электроды на основе никеля и проволока ERNiCr-3/ENiCr-3 используются для блокирования образования карбида в результате графитизации никеля, уменьшения переходного слоя и предотвращения образования хрупкой мартенситной структуры, а также для дальнейшего подавления миграции углерода в стальном листе ASTM A387GR22.

  • Сварочная канавка

Тип сварочной канавки должен учитывать количество сварочных слоев, количество заполняющего металла и коэффициент проплавления, а также сварочное остаточное напряжение. Тип и размер проектируемой канавки показаны ниже:

  • Предварительный нагрев и контроль температуры между слоями

Микроструктура ASTM A387 GR22 - закаленный бейнит, а S30408 - аустенит. Первый имеет закаливаемость, склонность к образованию трещин повторного нагрева и отпускную хрупкость, а второй обладает хорошей свариваемостью. В соответствии с химическим составом, формой соединения, методом сварки и сварочным материалом материалов, мы определили, что температура предварительного нагрева составляет около 200℃, а температура между сварочными проходами находится в пределах 100℃. После сварки термообработка проводилась при температуре 350℃ × 2 часа.

  • Параметр процесса сварки
Сварочный слойМетоды сваркиСварочные проводаСварочный электродСварочный ток I/AДавление сварки U/VСкорость сварки в/см
Наплавка  SMAWERNiCr-3, 4.0 ммDCEP140-16023-2616-20
Точечная сварка/1GTAWERNiCr-3, 2,4 ммDCSP120-15013-158-10
2-endSMAWERNiCr-3, 4,0 ммDCEP140-16023-2616-20

Перед сваркой очистите оксидный слой, масло, влагу, ржавчину и т.д. в пределах 200 мм от канавки и с обеих сторон стального листа. Конкретные параметры процесса сварки приведены в таблице.

  • Термическая обработка для снятия напряжения после сварки

Послесварочная термическая обработка для снятия напряжения является важным процессом для предотвращения сварочных трещин. Во время сварки образуется большое сварочное остаточное напряжение, поэтому после сварки требуется термическая обработка 690±10℃×2ч для устранения сварочного остаточного напряжения и предотвращения образования трещин.

  • Результаты и анализ

Мы провели осмотр внешнего вида стального листа в соответствии со стандартом оценки сварки для оборудования, работающего под давлением, и обнаружили, что на поверхности отсутствуют такие дефекты, как поры, шлаковые включения и трещины. Затем мы провели радиографический контроль 100% и испытания на механические свойства, такие как растяжение, изгиб и удар. Результаты испытаний приведены в таблице.

ПунктШирина/ммТолщина/ммCSA/мм²Максимальная нагрузкаПрочность на разрыв
I120.3039.72806.3507.12625 Мпа
I220.2839.78806.7482.83600 Мпа
Испытание на растяжение

Образец №.Тип изгибаТолщина/ммДиаметр изгибаУгол изгибаРезультаты
C1Боковой изгиб10D=40 мм180°Квалифицированный
C2Боковой изгиб10D=40 мм180°Квалифицированный
C3Боковой изгиб10D=40 мм180°Квалифицированный
Испытание на изгиб

Образец №.Размер образца ммПоложение зазораТемпература испытанияПоглощение энергии удара/Акв
R110*10*55A387 GR22 сторона0℃152
R210*10*55A387 GR22 сторона0℃176
R310*10*55A387 GR22 сторона0℃122
Тест на внушаемость

Из приведенных выше данных видно, что испытания на растяжение, изгиб и ударные нагрузки соответствуют требованиям, что указывает на то, что наш план сварочного процесса соответствует требованиям, сварка разнородных материалов между ASTM A387 Grade 22 и 304 вполне осуществима.