Simulatie van WBZ 1n ZERON 100

Superduplex roestvast staal met een PRE groter dan 40 wordt op steeds grotere schaal toegepast in de olie-industrie. Het biedt een goed compromis tussen mechanische eigenschappen en corrosievormen als put-, spleet-en spanningscarrosie alsmede weerstand tegen erosie. Het wordt niet alleen gebruikt voor dunwandige gelaste buizen maar ook steeds meer voor procesapparaten en dikwandige (tot 75 mm) drukvaten.

J.-J. Dufrane
De heer Dufrane is werkzaam bij Fabrique de fer de Charleroi te Charleroi, België.

(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 7, 1993- artikel 69)

Karakteristieken van ZE RON 100 plaat

De tabellen 1 en 2 geven een overzicht van de chemische samenstelling en de mechanische eigensc happen van duplex en superduplex roestvast staal. Vergeleken met een standaard duplextype als UNS 31803 bevat ZERON 100 (UNS 32760) een hoger gehalte aan chroom, molybdeen, nikkel, koper, stikstof en wolfraam. Dit zorgt ervoor dat de minimum PRE-waarde (putcorrosie-index) en de treksterkte beide op een hoger niveau zijn gebracht. Het in het kader van dit programma onderzochte plaatstaal is gewalst tot een dikte van 15 mm. Het heeft een oplosgloeiing ondergaan bij 1100°C gevolgd door afschrikken in water teneinde een optimale 50% ferriet-/ 50% austenietstructuur te verkrijgen die vrij is van intermetallische uitscheidingen (zie afbeelding 1). De feitelijke chemische en mechanische karakteristieken van het onderzochte materiaal zijn verzameld in de tabellen 3, 4 en afbeelding 2. De volgens ASTM G48 gemeten CPT van de proefplaat bedraagt 70°C.



Tabel 1. Kenmerkende chemische samenstelling (in gew. %) van duplex en superduplex roestvast-staaltypen.


Tabel 2. Mechanische kenmerken (minimumwaarden) van duplex en superduplex roestvast-staaltypen.


Afbeelding 1. Microstructuur van 15 mm dikke plaat.


Tabel 3. Chemische samenstelling (gew. %) van 15 mm dikke plaat.


Tabel 4. Mechanische kenmerken van 15 mm dikke plaat.


Afbeelding 2. Charpy-V overgangscurve van 15 mm dikke plaat.
 

Lassen van ZERON 100

Er moeten twee gevallen in ogenschouw worden genomen:
 

1. Lassen van dunwandig materiaal (zoa ls het langsnaadlassen van buizen) met toevoegmetaal dat eenzelfde chemische samenstelling heeft als het basismetaal, gevolgd door een oplosgloeiing bij 1100°C. In dit geval worden omzettingen in de WBZ (warmtebeïnvloede zone) opgeheven door de oplosgloeibehandeling en de structuur keert nagenoeg geheel terug naar de uitgangstoestand.
2. In het geval van het lassen van grotere wanddikten in het gebied variërend van 15 tot 70 mm dik voor de fabricage van drukvaten behoort een oplosgloeibehandeling niet langer tot de mogelijkheden. Een WBZ is dan onontkoombaar.

Om deze toestand te bestuderen en verlost te worden van praktische lasconsideraties zoals wijze waarop de las wordt gelegd, rechtheid van de fusielijn voor kerflocatie, warmteoverdracht enzovoort, zijn er warmtebeïnvloede-zonesimulatieproeven uitgevoerd met een lassimulator. De proeven bestaan uit het snel verhitten van een Charpy-V proefstuk naar een geprogrammeerde piektemperatuur en het vervolgens koelen met een gecontroleerde snelheid gemetenint 8/5 (seconden). Er wordt dan een homogene WBZ opgewekt, die overeenkomt met de feitelijk beproefde cyclus waaraan hardheids-, taaiheids-en corrosiemetingen kunnen worden uitgevoerd. Desimulatietesttechniek wordt in het algemeen beschouwd als een methode waarmee vergeleken met de werkelijkheid lagere bindingswaarden worden behaald. Er zijn piektemperaturen in het interval 700-1350°C onderzocht en afkoeltijden t 8/5 lopend van 7 tot 6000 seconden. Aangezien er bij zeer hoge temperaturen veranderingen in de structuur optreden is er een equivalentietabel (tabel 5) gegeven tussen t 8/5 en t 12/8. Deze afkoeltijden komen overeen met warmte-inbrengwaarden lopend van 0,6-5 kj/mm afhankelijk van de plaatdikte, de warmtekarakteristieken van het beschouwde materiaal en de twee-of driedimensionale warmtestroming.



Tabel 5. Equivalentietabel voor afkoeltijd.


De simuleringskerfslagstaven zijn bij -40°C geslagen. De beproevingstemperatuur is uitgekozen om eventuele gevoeligheid voor verbrossing vast te kunnen stellen en omdat deze waarde de laagste vereiste testtemperatuur is die tot op heden voor praktische toepassingen wordt verlangd.

Mechanische proefresultaten

De hardheid van de WBZ als functie van de piektemperatuur en koelsnelheid zijn vastgesteld. Er is waargenomen dat de hardheidstoename (in HV10) in het traject 285-300 kan worden geassocieerd met uitscheiding van nitriden in het geval van de hoge-temperatuurscycli. Deze meetwaarden moeten worden vergeleken met de hardheid van 274 HV10 van het plaatmateriaal. De afbeeldingen 3 en 4 geven de kerfslagtaaiheid van de gesimuleerde WBZ. Daarbij kan het volgende worden opgemerkt:
 

• Voort 12/8 tot 19 s (t 8/5 tot 60 s) blijft de taaiheid van de WBZ nagenoeg constant op een alleszins aanvaardbaar niveau van 60 J voor piektemperaturen tot 1200°C. Boven 1200°C kan een aanzienlijke toename van de taaiheid worden vastgesteld.
• Voor heel lange t 12/8 of t 8/5 (200-600 s) daalt de Charpy-V kerfslagtaaiheid het opvallendst in het piektemperatuursinterval 800-1000°C voor de langste afkoeltijd.
   

 

Afbeelding 3. Kerfslagvariaties als functie van piektemperatuurent 8/5, t 12/8.


Afbeelding 4. Kerfslagvariaties als functie van afkoelsnelheid.

Microstructuur en corrosie

 
Bezien vanuit het oogpunt van microstructuurveranderingen, moeten er twee gebieden worden onderzocht:
 

• het hoge-temperatuurstraject boven 1150°C waar de ferriet/austenietbalans verandert;
• het temperatuurstraject (grotendeels rondom 800°C) waar fase-uitscheiding kan optreden.

De volgende waarnemingen kunnen worden gedaan:


1. Hoge-temperatuurscycli
 

• 1200°C: Lichte toename van het ferrietgehalte. Er wordt geen korrelgroei waargenomen.
• 1300°C: Lage t 8/5, toename van het ferrietgehalte tot 70%. Hoger t 8/5, er is voldoende tijd voor austenietvorming. Er wordt lichte korrelgroei waargenomen.
• 1350°C: Het microstructuurbeeld wijkt af. Er wordt kiemvorming en groei waargenomen van austeniet op de ferrietkorrelgrenzen. Er vindt korrelgroei plaats.

In de ferrietkorrels heeft uitscheiding plaat van nitriden, met name bij de hoge piektemperaturen en zeer hoge afkoelsnelheden


2. Lage-temperatuurscycli

Er treedt geen verandering op in de austenietlferrietbalans. In het piektemperatuurstraject 800-900°C beginnen er nitriden uit te scheiden bij toenemende koeltijd. Bij koeltijden boven 40 s neemt ook uitscheiding van carbiden op de ferriet/austenietgrenzen een aanvang. Bij koeltijden langer dan 200 s ten slotte, treedt er uitscheiding op van  sigmafase.  Om de invloed van de structuurveranderingen in de WBZ op het corrosiegedrag te karakteriseren zijn er ASTM G48proeven uitgevoerd op monsters die zijn genomen uit niet-geslagen gesimuleerde Charpy-proefstaven. De waargenomen CPT (dit is de kritische putcorrosietemperatuur) bij alle proefstukken is 55°C (de CPT van het uitgangsplaatstaal is 70°C). Er is dus sprake van een achteruitgang.
 

Conclusie

Er treden in de warmtebeïnvloede zone van superduplex roestvast staal ZERON 100 (UNS 32760) significante structuurveranderingen op. De Charpy-V kerfslagwaarden blijven, bezien vanuit breuktaaiheidsoogpunt op een hoog niveau, met uitzondering van zeer lange experimentele afkoeltijden. Wat betreft corrosie: er is een minimum CPT van 55°C gemeten die samenhangt met uitscheiding van nitriden bij zeer hoge piektemperaturen en zeer korte afkoeltijd.

Bij deze danken wij de heren Coussement, hoofd afdeling hoge-temperatuursmaterialen, B.I.L. en de heer Mraz, onderzoeker R. U. Gent voor het uitvoeren van een belangrijk deel van de onderzoekingen die in dit artikel zijn gepresenteerd.


Afbeelding 5. Piektemperatuur: 1300°C, t 8/5:40 s; typische nitrideuitscheiding.


Afbeelding 6. Piektemperatuur: 900°C, t 8/5: 40 s; typische carbideen nitride-uitscheiding.


Referenties
1. K. Bekkers, H. Meelker, J. Hilkes, L. van Nassau; Aceros Inoxidabiles super duplex, un nuevo reto para aplicaciones industriales; Octovas Jornadas tecnicas de soldadura, Madrid, 1990.
2. P. Lienard, C. Pacque; Métallurgie de transformation, modification de la ferrite dans l'acier inoxydable duplex ZERON 100, 1ères journées internationals de mécanique et matériaux, Tunis, 1990.
3. K.J. Gradwell, C.V. Roscoe, M.R. Watts; Not just apipe dream - Developments in the use of high alloy
stainless steels for offshore fire water systems, Weir material services, 1988.
4. G.W. Lorimer, A.J. Strutt; intern rapport, University of Manchester, department of metallurgy and materials
science.
5. K.J. Gradwell, C.V. Roscoe; Structure property relationships of ZERON 100, Weir material services, 1987.