KOROZNE - MECHANICKÉ CHOVÁNÍ OCELI P91 CORROSION - MECHANICAL BEHAVIOUR OF P91 STEEL. Radka Míková

Transkript

1 KOROZNE - MECHANICKÉ CHOVÁNÍ OCELI P91 CORROSION - MECHANICAL BEHAVIOUR OF P91 STEEL Radka Míková UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, Praha Zbraslav, CR, mikova@ujp.cz Abstrakt Ocel P91 patrí mezi predstavitele moderních žárupevných ocelí na bázi 9 % Cr, která je novejší variantou oceli CSN lišící se prísadou legur vanadu a niobu. Díky svým velmi dobrým mechanickým vlastnostem za vysokých teplot se používá na zarízení tepelne a mechanicky namáhaná (energetický, petrochemický prumysl). Experimentální cást se zabývala sledováním teplotní závislosti výskytu korozního praskání pod napetím (SCC) v prostredí vysokotlaké vody s obsahem chloridu 10 mg.l -1 a rozpušteným kyslíkem za teplot 200 C a 300 C. Jednotlivé pokusy byly realizovány na vzorcích typu CT s elektrojiskrovým zárezem na zarízení CERT (constant extension rate testing) rychlostí posuvu prícníku 1, mm.s -1. Ke sledování náchylnosti ke koroznímu praskání byla použita ocel P91 o 2 stavech: a) dodaný stav od výrobce b) stav po izotermickém žíhání (625 C / h) Zvýšení teploty urychlilo iniciaci korozního praskání pod napetím a izotermické žíhání zpusobilo další snížení korozní odolnosti. P91 is a representative of modern heat-resistant steels based on 9 % Cr. It is a newer variant of CSN steel and differs from it in the presence of vanadium and niobium as alloying elements. Owing to its very good mechanical properties at high temperatures, this steel is used as the material of choice for thermally and mechanically stressed components, especially in the power sector and petrochemical industry. The experiments were concerned with the thermal dependence of stress corrosion cracking of specimens submerged in high-pressure water containing chloride (10 mg.l -1 ) and dissolved oxygen, heated at 200 C and 300 C. Using CT type samples with electrospark notches, the experiments were performed on a CERT (Constant Extension Rate Testing) facility at a cross-rail sliding velocity of 1, mm.s -1. The tendency to corrosion cracking was examined on the P91 steel in 2 states: a) as supplied by the manufacturer, b) after isothermal annealing at 625 C / h. The temperature increase was found to promote stress corrosion cracking and isothermal annealing to contribute to a decrease in the steel s corrosion resistance. 1. ÚVOD V následující kapitole jsou shrnuty výsledky korozního chování tlustostenné trubky bez svaru z feritické oceli P91. Feritické oceli s vysokým obsahem chromu se používají pro zarízení tepelne a mechanicky namáhaná, protože se vyznacují velmi dobrými mechanickými vlastnostmi za vysokých teplot. Moderní feritické oceli legované molybdenem mají zvelké cásti stejnou korozní odolnost jako oceli austenitické s legurou molybdenu (napr. AISI 316) [1]. Feritické korozivzdorné oceli typu AISI 430 a 436 jsou dokonce odolnejší ke koroznímu praskání než austenitické korozivzdorné oceli v prostredí s nízkým obsahem chloridových iontu [2]. Studiem náchylnosti feritické oceli typu 405 (UNS S40500) ke koroznímu praskání pod napetím se zabýval Frangini [3], který danou ocel testoval pri malé rychlosti deformace 1

2 za teploty 288 C vprítomnosti chloridu a kyslíku. Jeho výsledky ukazují na znacný vliv chloridu a rozpušteného kyslíku na iniciaci korozního praskání. 2. EXPERIMENTÁLNÍ CÁST 2.1. Zarízení Zkoušky probíhaly na zarízení CERT, kde základem je trhací stroj INSTRON 50 kn s minimální rychlostí posuvu prícníku 1, mm.s -1, doplnený titanovým autoklávem o vnitrním obsahu 400 ml a hloubkou 150 mm. Zatežovací tyc z materiálu AKN 22, utesnená systémem SHANBAN, je vedena víkem autoklávu z téhož materiálu. Závesy CT vzorku jsou také z materiálu AKN 22. Korozní prostredí v autoklávu je vymenováno kontinuálne prostrednictvím chromatografického cerpadla LCP 3001 rychlostí 480 ml.h -1. Výstup horké tlakové vody je pres chladic na manometr a tlakové spínace k pojistnému pružinovému ventilu PE 10287, který reguluje tlak v soustave a soucasne plní funkci jistícího clenu. Tlak v systému je udržován v rozmezí MPa, je meren tenzometrickým snímacem a registrován. Síla je merena prostrednictvím cely UA2 s merícím zesilovacem AE 301, je zaznamenávána v minutových intervalech pomocí AD prevodníku na PC Materiál Pro testování náchylnosti ke koroznímu praskání za napetí za vysokých teplot byla zvolena ocel P91. Tento typ oceli je predstavitelem moderních žárupevných ocelí na bázi 9 % Cr, který je urcen pro mechanicky a tepelne namáhané komponenty. V soucasnosti se použití rozširuje na další vysokoteplotní komponenty, jako napr. reaktory, potrubní systémy. Ocel P91 je novejší variantou oceli CSN , lišící se hlavne prísadou legur jako vanadu a niobu. Tvorí prechod mezi nízkolegovanými CrMo nebo CrMoV ocelemi a austenitickými korozivzdornými ocelemi. Mikrostruktura oceli P91 ve výchozím stavu je tvorena feritem s karbidy na hranicích zrn, na rozhraní feritických desek i ve feritické základní hmote. Po dlouhodobém žíhání dochází k precipitaci karbidu uvnitr feritických zrn a hranice zrn feritu jsou méne znatelná. Tabulka 1.: Výsledky zkoušek mechanických vlastností oceli P91 ve výchozím stavu teplota zkoušky ( C) mez kluzu R p0,2 (MPa) mez pevnosti R m (MPa) tažnost A 5 (%) kontrakce Z (%) Tabulka 2.: Výsledky zkoušek mechanických vlastností oceli P91 v žíhaném stavu teplota zkoušky ( C) mez kluzu R p0,2 (MPa) mez pevnosti R m (MPa) tažnost A 5 (%) kontrakce Z (%)

3 Tabulka 2.: Výsledky zkoušek mechanických vlastností oceli P91 v žíhaném stavu teplota zkoušky ( C) mez kluzu R p0,2 (MPa) mez pevnosti R m (MPa) tažnost A 5 (%) kontrakce Z (%) Tabulka 3.: Výsledky zkoušek vrubové houževnatosti oceli P91 teplota zkoušky ( C) vrubová houževnatost KCV2 (J.cm -2 ) výchozí stav vrubová houževnatost KCV2 (J.cm -2 ) žíhaný stav Metodika zkoušek Pro zkoušky byly vyrobeny vzorky typu CT s elektrojiskrovým zárezem o šírce 0,2 mm, jehož celo je zaobleno s polomerem 0,1 mm. Vlastní zárez má hloubku 1,00 mm. Délka zárezu byla merena od cela do ústí zárezu ve vrubu. Odecet délky zárezu byl prováden pomocí analyzátoru obrazu LUCIA. Zatežovací zkoušky byly provádeny pri konstantní rychlosti posuvu prícníku 1, mm.s -1. Korozní prostredí ve všech prípadech byla voda s prísadou chloridu o koncentraci 10 mg.l -1 a s rozpušteným kyslíkem (dán rovnovážným obsahem kyslíku ve vode, tj. 8 mg.l -1 O 2 ). K príprave roztoku byla používána deionizovaná voda o vodivosti? 0,6?S.cm -1, chloridy byly dávkovány ve forme NaCl. CT vzorky jsou pred každou expozicí odmašteny v acetonu, pomocí cepu upevneny na zatežovací mechanismus. Po ustavení experimentálních podmínek (teplota, tlak) se nastaví vule v zatežovacím mechanismu a spustí se posuv prícníku danou rychlostí. Posuv prícníku je kontrolován rucickovým indikátorem. Vnitrní tlak v autoklávu je udržován behem zkoušky na hodnote? 15 MPa, pocátecní síla na vzorku je? 1400 N. Experimentální teplota se pohybuje v rozmezí? 2 C. Na základe merených krivek síla premístení pusobište síly je stanovena závislost J-integrál nárust trhliny? a. V jednotlivých typech prostredí jsou vzorky testovány do urcitých hodnot posuvu prícníku. Po každé expozici je vzorek CT zdokumentován pomocí analyzátoru obrazu LUCIA, následuje vyhodnocení charakteru trhliny na metalografickém výbrusu (použité leptadlo Villela-Bain) a rozcyklování do porušení celistvosti CT vzorku pri 20 C. Na rozcyklovaném vzorku CT je hodnocen nárust trhliny dle vztahu (1)[4]. 3

4 8 1?? a?? a? 1 9? a???? a n (1) 8? 2 2? Merení se provádí na 9 bodech šírky vzorku (na obou pulkách rozcyklovaného vzorku) a vypocítá se prumerná hodnota délky nárustu trhliny. 3. VÝSLEDKY Zkoušky korozního praskání pod napetím na vzorcích typu CT probíhaly zatežováním pri pomalé rychlosti posuvu prícníku (1, mm.s -1 ) v prostredí vysokotlaké vody s obsahem kyslíku a 10 mg.l -1 Cl - iontu za teplot 200 a 300 C. V tabulce 4. a 5. jsou zaznamenány výsledky zkoušek CT vzorku oceli P91 ve výchozím stavu a ve stavu po izotermickém žíhání. Tabulka 4.: Výsledky zatežovacích zkoušek CT vzorku oceli P91 ve výchozím stavu (korozní prostredí: vysokotlaká voda+10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 ) vzorek teplota zkoušky ( C) posuv prícníku délka trhliny a max. síla F (N) CT P1 0,83 0, ,1 CT P2 1,07 0, ,7 300 CT P3 1,88 3, ,8 CT P4 1,74 2, ,3 CT P5 0,91 0, ,6 CT P6 1,85 0, ,2 200 CT P7 1,98 0, ,4 CT P8 2,15 0, ,9 Tabulka 5.: Výsledky zatežovacích zkoušek CT vzorku oceli P91 v žíhaném stavu (korozní prostredí: vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 ) vzorek teplota zkoušky ( C) posuv prícníku délka trhliny a max. síla F (N) CT PZ1 1,64 0, ,8 CT PZ ,05 1, ,1 CT PZ7 1,52 0, ,7 CT PZ3 1,76 2, ,2 CT PZ ,62 0, ,4 CT PZ6 1,67 0, ,0 Namerená data ukazují na teplotní závislost nárustu trhlin CT vzorku. Z obr.1. je zrejmé, že pri teplote 200 C je vetší nárust trhlin pri vyšších hodnotách aplikovaného zatížení. Stejného nárustu trhlin pri teplote 300 C je dosaženo pri nižších hodnotách zatížení. Na základe porovnání prubehu zatežovacích krivek vzorku CT ve výchozím stavu a vzorku po zcitlivení (625 C/10000 h) viz obr. 2. a obr. 3. je zrejmé, že k rustu trhlin dochází u materiálu podrobenému žíhání pri nižších hodnotách aplikovaného zatížení než u vzorku z materiálu v základním stavu, což odpovídá i zjišteným mechanickým vlastnostem. Izotermické žíhání se projeví zvýšením citlivosti oceli ke koroznímu praskání pod napetím. 4

5 Jak vyplývá ze závislosti nárust trhliny - posuv prícníku (obr. 4.), nárust trhliny je strmejší pri teplote 300 C pro oba sledované stavy oceli P91. Ke stejnému nárustu trhliny dochází pri teplote 200 C za vyšších hodnot posuvu prícníku Stanovení lomové houževnatosti Souborné výsledky zatežovacích zkoušek materiálu P91 v základním stavu a po tepelném zpracování jsou uvedeny v tabulce 6., grafická závislost J-integrál nárust trhliny a na obr. 5. Hodnoty J-integrálu, K c, K cj byly vypocítány dle vztahu (2), (3), (4) [5]: 2 1?? 2 xi? Acp Jc?? Kc? (2) E B? W? a K F? Y c B? W 0,5??? (3) 0,5? E? K cj?? J 2 ic (4)? 1??? K výpoctu byly použity následující hodnoty pro testovaný materiál CT vzorku platné pro teploty 200 C a 300 C: ocel P91: E = MPa,? = 0,3. Tabulka 6.: Údaje pro CT vzorky ke stanovení závislosti J-integrál nárust trhliny a pri rychlosti posuvu prícníku 1, mm.s -1 pro jednotlivá korozní prostredí prostredí materiál vzorek posuv prícníku max. síla F (N) nárust trhliny a J c (N/mm) K c (MPa.m 0,5 ) K cj (MPa.m 0,5 ) 200 C voda+cl - +O C voda+cl - +O C voda+cl - +O C voda+cl - +O 2 P 91 (zákl. stav) P 91 (zákl. stav CT P5 0, ,6 0, ,0 0 CT P6 1, ,2 0, ,9 0 CT P7 1, ,4 0,59 15,7 72,9 61,2 CT P8 2, ,9 0,61 16,5 77,1 62,7 CT P1 0, ,1 0, ,2 0 CT P2 1, ,7 0, ,8 0 CT P3 1, ,8 3,06 40,3 100,0 98,0 CT P4 1, ,3 2,87 25,1 92,9 77,4 CT PZ1 1, ,8 0, ,3 0 CT PZ2 2, ,1 1,21 32,9 80,2 88,5 P 91 (žíh. stav) CT PZ7 1, ,7 0, ,6 0 P 91 CT PZ3 1, ,2 2,17 42,9 73,4 101,1 (žíh. CT PZ5 1, ,4 0,60 26,3 52,5 79,1 stav) CT PZ6 1, ,0 0, ,6 0 Z obr. 5. je patrné, že závislost J-integrál - nárust trhliny je lineární s výjimkou zkoušek na oceli P 91ve výchozím stavu pri teplote 200 C a stavu po izotermickém žíhání za teploty 300 C. K overení reprodukovatelnosti namerených hodnot by bylo treba uskutecnené experimenty opakovat, ale pro casovou nárocnost to není možné. Cistý cas k provedení 5

6 14 zatežovacích zkoušek CT vzorku pri rychlosti posuvu prícníku 1, mm.s -1 byl 4996 hodin (208 dní). 4. ZÁVER Z provedených experimentu v prostredí vysokotlaké vody s obsahem 10 ppm chloridových iontu, 8 ppm kyslíku za teplot 200 C a 300 C vyplývá:?? zvýšení teploty z 200 C na teplotu 300 C má negativní vliv na korozní odolnost oceli P91 - urychluje iniciaci korozního praskání pod napetím?? izotermické žíhání (625 C/10000 h) oceli P91 zpusobuje další snížení odolnosti proti koroznímu praskání 5. LITERATURA [1] Roberge P. R.: Handbook of Corrosion Engineering, Mc Graw-Hill, 2000 [2] Chawla S. L., Gupta R. K.: Materials Selections for Corrosion Control, Materials Park, Ohio, ASM International, 1993 [3] Frangini S.: Sensitivity to stress corrosion cracking of type 405 stainless steel in hightemperature aqueous environments, Corrosion 50(6), 1994 [4] Lomová húževnatost kovov pri statickom zatažení, Výskumný ústav zváracský, Bratislava, 1989 [5] Man J., Holzmann M., Válka L.: Soucasný stav normalizace zkoušek lomove mechanických charakteristik, Zváranie 42(11), síla (N) P91 - ZM, 200 C P91 - ZM, 300 C P C/10000 h, 200 C P C/10000 h, 300 C ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 nárust trhliny a Obr. 1. Závislost zatežující síly na nárust trhliny a pro ocel P91 vzákladním stavu a po izotermickém žíhání 625 C/10000 h v korozním prostredí vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 6

7 a = 0,61 mm a = 1,21 mm síla (N) CT P8 - ZM CT PZ2-625 C/10000 h 0 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0 2,3 posuv prícníku Obr. 2. Závislost zatežující síly na posuvu prícníku pro ocel P91 v základním stavu a po izotermickém žíhání 625 C/10000 h v korozním prostredí vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 (teplota zkoušky 200 C) síla (N) a = 3,06 mm a = 2,17 mm CT P3 - ZM CT PZ3-625 C/10000 h 0 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0 2,3 posuv prícníku Obr. 3. Závislost zatežující síly na posuvu prícníku pro ocel P91 v základním stavu a po izotermickém žíhání 625 C/10000 h v korozním prostredí vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 (teplota zkoušky 300 C) 7

8 nárust trhliny a 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 P91 - ZM, 200 C P91 - ZM, 300 C P C/10000 h, 200 C P C/10000 h, 300 C 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 posuv prícníku Obr. 4. Závislost nárustu trhliny a na posuvu prícníku pro ocel P91 v základním stavu a po izotermickém žíhání 625 C/10000 h v korozním prostredí vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O J c (N.mm -1 ) Jc = 45,668a - 22,371 Jc = 11,909a - 2,406 P91 - ZM, 200 C P91 - ZM, 300 C P C/10000 h, 200 C P C/10000 h, 300 C 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 nárust trhliny a Obr. 5. Závislost J-integrálu na nárustu trhliny a, experimentální hodnoty a vypoctené regresní prímky pro ocel P91 v základním stavu a po izotermickém žíhání 625 C/10000 h v korozním prostredí vysokotlaká voda + 10 mg.l -1 Cl mg.l -1 O 2 8