VLIV MIKROSTRUKTURY NA ODOLNOST DUPLEXNÍ OCELI 22/05 VŮČI SSC. Petr Jonšta a Jaroslav Sojka a Petra Váňová a Marie Sozańska b

Transkript

1 VLIV MIKROSTRUKTURY NA ODOLNOST DUPLEXNÍ OCELI 22/05 VŮČI SSC Petr Jonšta a Jaroslav Sojka a Petra Váňová a Marie Sozańska b b a VŠB-TUO, 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba, ČR, Silesian University of Technology, Krasińskiego 8, 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 X2CrNiMoN 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: 675 o C/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 X2CrNiMoN vůči SSC (sulfidickému praskání pod napětím). Ocel byla testována ve dvou různých stavech, a to ve výchozím stavu po válcování a po žíhání režimem 675 o C/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: X2CrNiMoN (plech tloušťky 12 mm) ve výchozím stavu po válcování a ve stavu po žíhání 675 o C/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

2 Chemické složení oceli je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení duplexní oceli (hm. %) Table 1. Chemical composition of duplex steel (mass %) C Cr Ni Mo Mn Si P S N 2 0,019 22,67 5,48 2,98 1,68 0,44 0,024 0,0002 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 R p0.2 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] R p0.2 / R m po válcování ,5 0,73 po žíhání ,5 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 675 o C/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

3 zv. 500x Obr. 2. Mikrostruktura duplexní oceli po žíhání 675 o C/5h/vzduch, po naleptání NaOH Fig. 1. Microstructure of duplex steel after annealing 675 o C/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 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 675 o C/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 675 o C/5h/air. výchozí stav po válcování stav po žíhání 675 o C/5h/vzduch zatížení (% R p0.2 ) doba do lomu (h) zatížení (% R p0.2 ) doba do lomu (h) , , ,7 99 2, * 93 55, * 92 19, * , * , * * * * * * * za standardní dobu trvání zkoušky nedošlo k lomu 3

4 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 Obr. 3. Lomová plocha duplexní oceli, výchozí stav, 97 % R p 0.2, SEM Fig. 3. Fracture surface of duplex steel, as rolled state, 97 % R p 0.2, SEM 4

5 Obr. 4. Lomová plocha duplexní oceli, výchozí stav, 97 % R p 0.2, SEM Fig. 4. Fracture surface of duplex steel, as rolled state, 97 % R p 0.2, SEM Obr. 5. Lomová plocha duplexní oceli, stav po žíhání 675 o C/5h/vzduch, 92 % R p 0.2, SEM Fig. 5. Fracture surface of duplex steel, after annealing state 675 o C/5h/air, 92 % R p 0.2, SEM 5

6 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 675 o C, 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: X2CrNiMoN vůči SSC. Ocel byla testována jednak ve výchozím stavu po válcování a jednak ve stavu po žíhání režimem 675 o C/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] TIMMINS, P., F.:Solution to Hydrogen Attack in Steels, USA, 1997, 198 s. [2] SOJKA, J., VÁŇOVÁ, P., JONŠTA, P., RYTÍŘOVÁ, L.: Hodnocení degradace ocelí vlivem vodíku. Závěrečná zpráva projektu PROGRES, VŠB-TU Ostrava, [3] 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 [4] NACE Standard TM : Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking in H 2 S 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