저온에서 듀플렉스 스테인레스강의 인성

이중 스테인리스강오스테나이트의 내식성과 페라이트의 강도를 약 50/50 미세 구조로 결합하여{2}}304L 및 316L과 같은 기존 오스테나이트 등급보다 약 2배 높은 항복 강도를 제공합니다. 그러나 힘은 이야기의 일부일뿐입니다.

극저온 서비스, LNG 처리, 해양 플랫폼 및 북극 에너지 프로젝트에서는 -인성-을 파괴하지 않고 에너지를 흡수하는 재료의 능력도 똑같이 중요합니다.

이 기사에서는 엔지니어, 지정자 및 조달 팀이 듀플렉스 스테인리스강 인성에 대해 가장 자주 묻는 질문에 대한 답변을 제공합니다. 듀플렉스 SS는 저온에서 어떻게 작동합니까? 어떤 샤르피 충격 시험 요구 사항이 적용됩니까? 서브제로 서비스에 적합한 등급은 무엇인가요?- 그리고 LNG, 해양 및 극저온 응용 분야의 실제{1}}인성에 대한 증거는 무엇이라고 말합니까?

핵심 사항: 듀플렉스 스테인리스강은 -50도(표준 듀플렉스) 및 -80도(슈퍼 듀플렉스)까지의 온도에서 탁월한 인성을 유지하며 Charpy V-노치 충격 값은 -40도에서 50~100J-로 ASTM A240/A790에서 요구하는 최소 27J를 훨씬 초과합니다. 이로 인해 듀플렉스 SS는 영하 및 해양 응용 분야에서 316L에 대한 기술적으로 우수하고 비용 효율적인 대안이 되며, 강도가 높아서 필요한 재료가 40~60% 더 적습니다.

샤르피 충격 시험이란 무엇이며 듀플렉스 스테인리스강에 왜 필요한가요?

샤르피 V-노치 충격 테스트는 지정된 온도에서 흔들리는 진자에 의해 파손될 때 표준화된 테스트 표본이 흡수하는 에너지의 양(줄 단위)을 측정합니다. 샤르피 값이 높을수록 재료가 더 강하고{2}}쪼개짐 없이 에너지를 흡수할 수 있다는 의미입니다. 듀플렉스 스테인리스강의 경우 샤르피 테스트는 선택 사항이 아닙니다. ASTM A240/A790, EN 10088 및 ASME 코드 섹션 VIII에서는 페라이트-오스테나이트 미세 구조가 압력 경계 응용 분야에 적절한 인성을 제공하는지 확인하기 위해 샤르피 테스트를 의무화하고 있습니다.-

테스트 표본은 중앙에 2mm-깊이 V- 모양의 노치가 가공된 직사각형 막대(55mm × 10mm × 10mm)입니다. 시편을 샤르피 시험기에 놓고 원하는 온도(실온, 0도, -20도 또는 -40도)로 유지한 다음 흔들리는 진자로 충격을 가합니다. 기계는 시편을 파괴하기 위해 흡수된 에너지를 측정하며, 줄(J) 또는 피트{11}}파운드(ft·lbf)로 표시됩니다.

이중 스테인리스강에 샤르피 테스트가 특별히 필요한 이유는 무엇입니까?

이중 스테인리스강은 2상(페라이트 + 오스테나이트) 미세 구조가 부적절한 열처리에 민감하기 때문에 샤르피 테스트가 필요합니다. 이로 인해 고온(475도 취성, 시그마 상)에서 취성이 발생하거나 영하의 온도에서 인성이 저하될 수 있습니다.- 샤르피 테스트는 미세 구조가 정확하고 재료가 사용하기에 안전한지 확인하는 품질 관리 도구입니다.

샤르피 테스트가 이중 스테인리스 스틸에서 감지하는 주요 위험은 다음과 같습니다.

✔ 상 불균형: 페라이트/오스테나이트 비율이 ~50/50(예: 70/30 또는 80/20)에서 벗어나면 인성이 급격히 떨어집니다. 샤르피 테스트는 이를 빠르게 감지합니다.

✔ 475도 취화: 300~500도에 장시간 노출되면 페라이트 상에 Cr-풍부 석출물이 생겨 인성이 크게 감소합니다. 실온 및 영하의-온도에서 샤르피 테스트를 통해 이를 감지합니다.

✔ 시그마 상 취성: 600~800도에서 연장된 시간은 단단하고 부서지기 쉬운 금속간 시그마 상을 형성합니다. 단일 샤르피 테스트로 불량한 열처리 배치에서 시그마{3}}상 취성을 감지할 수 있습니다.

✔ 용접열-영향부(HAZ) 인성: 이중 SS의 용접 HAZ는 제작된 구조에서 가장 약한 부분입니다. HAZ의 충격 테스트(측면-노치 시편 또는 별도의 용접 시뮬레이션 사용)는 중요한 응용 분야에 필수입니다.

✔ 저온-온도 서비스 검증: 극저온 및 해상 응용 분야의 경우 -40도 이하에서 샤르피 테스트를 통해 오스테나이트 상이 설계 온도에서 FCC 연성을 유지하는지 확인합니다.

샤르피 대 기타 인성 테스트: 이중 SS에 필요한 것은 무엇입니까?

듀플렉스 스테인레스 스틸이 저온에서 인성을 유지하는 이유

듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 상(FCC 결정 구조)이 -40도에서도 연성과 내충격성을 유지하므로{0}}저온에서 탁월한 인성을 유지하고, 페라이트 상(BCC 구조)은 강도를 제공합니다. 오스테나이트는 균열- 정지 단계로 작용하여 전파 균열을 둔화시키고 충격 에너지를 2-상 미세 구조에 분산시킵니다. 이것이 표준 듀플렉스(2205)가 극저온{11}}등급 합금이 필요 없이 -50도까지, 슈퍼 듀플렉스(2507, 32760)가 -80도까지 승인된 이유입니다.

듀플렉스 SS가 저온에서 그토록 견고한 이유를 이해하려면 금속이 차가워지면 어떻게 되는지 이해해야 합니다.

✔ BCC 금속(페라이트, 페라이트 SS, 탄소강): 저온에서 BCC 금속은 연성-에서-취성 전이(DBTT)-를 거쳐 임계 온도 이하에서는 거의 경고 없이 끊어집니다. 탄소강은 -20도 이하에서 치명적으로 파손될 수 있습니다. 430과 같은 페라이트계 스테인리스강에서도 DBTT가 나타납니다.

✔ FCC 금속(오스테나이트, 알루미늄, 구리): FCC 금속에는 DBTT가 없습니다. 원자 평면은 어느 방향으로든 미끄러질 수 있으므로 액체 질소 온도(-196도)에서도 연성을 유지합니다. 이것이 304L과 316L이 -269도까지의 극저온 서비스에 사용되는 이유입니다.

✔ 이중 SS(2-상): 오스테나이트 상은 페라이트 매트릭스를 통한 취성 파괴 전파를 방지합니다. 페라이트 상이 약간 취성을 겪더라도 오스테나이트 섬은 충격 에너지를 흡수하고 균열 발생을 방지합니다. 균열은 오스테나이트 섬 주위를 반복적으로 탐색하여 에너지를 소산하고 유효 인성을 높여야 합니다.

-40도 이하의 이중 SS 인성은 어떻게 되나요?

결론: 표준 이중 스테인리스강(2205, UNS S31803/S32205)은 약 -50도까지 적절한 인성을 유지하지만 -40도 이하에서 감소된 충격 값을 나타내기 시작합니다. -50도 이하 서비스의 경우 Ni 및 N 함량이 더 높은 슈퍼 듀플렉스 등급(2507, 32750, 32760)을 권장합니다. −80도 미만의 서비스(-튜브, 극저온 탱크의 LNG)의 경우 일반적으로 304L 또는 316L과 같은 오스테나이트 등급이 지정됩니다. 하지만 일부 LNG 운영업체는 더 높은 강도-대-중량 비율을 위해 슈퍼 듀플렉스를 사용하지만.

참고: 값은 세로 테스트 방향(L-T 방향)을 나타냅니다. 가로(T-L) 값은 일반적으로 30~50% 더 낮습니다. 항상 디자인 로딩 방향과 관련된 방향을 사용하십시오.

적용 가능한 표준: 이중 스테인리스강에 대한 샤르피 충격 요구 사항

ASTM A240(플레이트/시트) 및 ASTM A790(파이프)은 용체화 어닐링 조건에서 표준 듀플렉스 등급에 대해 최소 54J(40ft·lbf)를 요구합니다. 슈퍼 듀플렉스 등급(S32750, S32760)에는 일반적으로 최소 45~50J가 필요합니다. 이는 영하 서비스에 대한 실내 온도 최소값입니다-. 지정자는 설계 코드 및 서비스 조건을 기반으로 테스트 온도와 최소값을 설정해야 합니다.

해양 및 극저온 응용 분야에는 어떤 추가 요구 사항이 적용됩니까?

해양 및 영하의 응용 분야에서는 표준 ASTM 최소값을 넘어서는 요구 사항이 적용됩니다. API 17J, NORSOK 및 ISO 15156에서는 최소값 45~50J의 설계 온도(−20도, −40도 이하)에서 추가 샤르피 테스트와 용접 영역 인성을 확인하기 위한 HAZ 충격 테스트를 지정합니다.

서비스 온도에 따른 이중 스테인레스 스틸 샤르피 요구 사항

LNG 서비스(설계 온도 -162도)의 경우 표준 듀플렉스 2205는 페라이트 상이 약 -60도에서 -80도 사이의 연성-에서-취성 전이를 겪기 때문에 1차 압력 격납에 권장되지 않습니다. 오스테나이트계 304L 또는 316L은 LNG 탱크 내부 쉘에 지정됩니다. 그러나 슈퍼 듀플렉스 2507 및 32760은 샤르피 테스트를 통해 -80도에서 적절한 인성이 확인된 경우 설계 온도가 -80도까지 내려가는 LNG 해저 파이프라인 및 해양 플랫폼에 사용됩니다.

LNG 적용 인성 요구 사항:

✔ LNG 탱크 내부 쉘(1차 장벽): AISI 304L(UNS S30403) 또는 304/316 오스테나이트 스테인리스. -162도에서 최소 샤르피 27J. 1차 장벽에는 이중 SS가 허용되지 않습니다.

✔ LNG 탱크 외부 쉘 및 환형 공간: 슈퍼 듀플렉스 2507 또는 32760은 최소 45J에서 -80도에서 샤르피 테스트를 통해 외부 탱크 지지 구조 및 배관에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

✔ LNG 재기화 터미널 해저 흐름선: PREN이 40 이상인 슈퍼 듀플렉스 2507(S32750), −20도에서 샤르피 45J, API 17J 인증.

✔ Arctic LNG: Yamal LNG 및 이와 유사한 프로젝트의 경우 CTOD 파괴 인성 요구 사항과 함께 -60도에서 샤르피 테스트를 거친 특수 이중 등급이 지정되었습니다.

해양 플랫폼 응용 분야에서 이중 SS에 대한 샤르피 요구 사항은 무엇입니까?

북해, 멕시코만 및 남중국해의 해양 플랫폼은 일반적으로 설계 기준 온도 및 적용 가능한 NORSOK 또는 API 요구 사항에 따라 -20도 또는 -40도에서 45~50J의 샤르피 요구 사항을 갖는 공정 배관, 플레어 붐 및 해저 구성 요소에 이중 스테인리스 스틸을 지정합니다.

북극 및 추운 기후 파이프라인의 이중 SS에 대한 샤르피 요구 사항은 무엇입니까?

-40~-45도에서 작동하는 캐나다, 러시아 및 알래스카의 북극 파이프라인에는 설계 온도에서 샤르피 충격 값이 50~60J인 이중 스테인리스강과 추가 파괴 인성 테스트(CTOD 및/또는 DWTT)가 필요합니다. 캐나다 CSA Z662 및 러시아 GOST 표준은 온대 기후에 대한 표준 API 및 ASME 요구 사항을 초과하는 인성 요구 사항을 지정합니다.

✔ 북극 송유관(-40도 ~ -45도): 슈퍼 듀플렉스 2507 또는 린 듀플렉스 2101(-40도에서 최소 샤르피 50J 포함); 라인 파이프에 필요한 DWTT(전단 면적 > −40도에서 85%).

✔ 북극 가스 파이프라인(-40도): 유사한 요구 사항에 파이프 둘레 용접의 경우 -40도에서 CTOD가 0.25mm 이상입니다.

열처리 및 용접이 듀플렉스 스테인레스강 샤르피 인성에 미치는 영향

부적절한 열처리는 듀플렉스 스테인리스 강의 세 가지 뚜렷한 취성 메커니즘을 유발하며 모두 샤르피 테스트로 감지됩니다. (1) 475도 취성(300~500도에서 100~1000시간 후 급격한 인성 손실), (2) 시그마 상 취성(600~800도에서 장기간 노출 후), (3) 알파 프라임 취성 (300~400도에서 장기간-페라이트 분해). 세 가지 모두 샤르피 충격 값을 80~120J에서 20J 미만으로 줄여-치명적인 인성 손실을 가져올 수 있습니다.

이중 SS 용접 열{0}영향부(HAZ)에 대한 샤르피 요구사항은 무엇입니까?

이중 스테인리스 강의 용접 HAZ는 용접 열 주기가 국부적 상 불균형(과도한 페라이트 또는 오스테나이트 고갈), 결정립 조대화 및 석출 가능성을 유발하기 때문에 제작된 구조에서 가장 약한 영역입니다. 중요한 응용 분야에서는 설계 온도에서 HAZ의 샤르피 테스트가 필요하며 최소값은 일반적으로 모재 요구 사항의 70~85%입니다.

✔ 비금속 샤르피: 실온에서 54J(ASTM A240/A790 최소).

✔ HAZ 샤르피: 대부분의 코드에 대해 실온에서 최소 40J; 해양 및 북극 응용 분야의 설계 온도에서 최소 45J.

✔ 용접 금속 샤르피: 용착된 용접 금속(일반적으로 일치하는 필러 또는 전체 합금 필러)도 샤르피 요구 사항을 충족해야 합니다. ER2594(AWS A5.9) 용접 필러는 일반적으로 실온에서 50~80J를 달성합니다.

✔ 용접 후 열처리(PWHT): 듀플렉스 SS는 취성 위험으로 인해 300~800도 범위에서 PWHT하면 안 됩니다. 용접 후 용액 어닐링은 유일하게 허용되는 PWHT 경로입니다.

듀플렉스와 오스테나이트계 스테인레스강: 저온-인성 비교

(1) 강도가 중요한 경우(듀플렉스는 316L의 2배 항복 강도, 즉 재료가 40~60% 적음), (2) 설계 온도가 표준 듀플렉스의 경우 -50도 이상, 슈퍼 듀플렉스의 경우 -80도 이상, (3) 염화물 응력 부식 균열(Cl-SCC)이 위험할 경우(듀플렉스의 경우 내성). LNG 내부 탱크, 극저온 저장 및 이중 인성이 떨어지는 -80도 미만의 온도에는 오스테나이트계 304L/316L을 선택하십시오. −30도에서 −50도 사이의 영하 응용 분야(해양 플랫폼 공정 배관, 북극 물 주입 라인)의 경우 듀플렉스 2205가 기술적으로 우수하고 316L보다{20}}비용 효율적입니다.

자주 묻는 질문

ASTM A240 및 ASTM A790은 실온(20±5도)의 용액{9}}어닐링 조건에서 이중 스테인리스강(S31803/S32205/S32750/S32760)에 대해 최소 54J(40ft·lbf) 샤르피 V-노치 충격 에너지를 요구합니다. 그러나 이는 최소한의 인증 요구사항일 뿐입니다.{13}}재료가 특정 서비스 온도에 적합하다는 의미는 아닙니다. 영하의 애플리케이션(해양 플랫폼, 북극 파이프라인, 극저온 배관)의 경우 -해당 프로젝트 코드(NORSOK, API, CSA, ISO)당 최소값 45~50J의 설계 온도에서 샤르피 테스트를 지정해야 합니다. 실온에서 54J의 이중 플레이트는 -40도에서 30~40J만 표시될 수 있으며 이는 해양 프로젝트 요구 사항에 실패합니다.

듀플렉스 스테인레스 스틸 2205를 -162도의 LNG 서비스에 사용할 수 있습니까?

표준 듀플렉스 2205는 -162도에서 1차 LNG 격납용으로 권장되지 않습니다. LNG 저장 탱크는 내부 탱크 쉘에 오스테나이트 304L 또는 316L을 사용합니다. 그 이유는 (1) 듀플렉스 2205의 페라이트 상이 약 -60도에서 -80도 사이에서 연성-에서-취성 전이를 겪어 샤르피 값이 급격히 떨어지기 때문입니다. (2) ASTM A240은 -50도 이하의 극저온 서비스에 대해 2205를 인증하지 않습니다. 그러나 −80도에서 인증된 샤르피 값을 갖는 슈퍼 듀플렉스 등급(2507, 32760)은 설계 온도가 −80~−100도에 도달하는 1차 격납 경계 외부의 LNG 해저 흐름선, 외부 탱크 지지대 및 배관에 대해 승인되었습니다. 1차 LNG 격납의 경우 항상 304L/304 또는 316L/316 오스테나이트 스테인리스강을 사용하십시오.

용접 HAZ는 듀플렉스 스테인리스강의 샤르피 충격 값에 어떤 영향을 줍니까?

결론: 듀플렉스 스테인리스 강의 용접 HAZ는 일반적으로 (1) 페라이트 매트릭스의 결정립 조대화(균열{3}}억제 기능 감소), (2) 국부적 상 불균형(오스테나이트 함량이 낮은 과잉 페라이트 영역), (3) 용접 열 사이클에서 빠른 냉각 중 Cr2N 크롬 질화물의 석출 가능성으로 인해 모재 금속보다 20~40% 더 낮은 샤르피 충격 값을 나타냅니다. 중요한 해상 및 북극 프로젝트에서는 설계 온도(일반적으로 -20도 ~ -40도)에서 최소값 40-45J의 HAZ 샤르피 테스트가 필요합니다. 가장 좋은 방법은 일치하거나 전체 합금된 용가재(예: S32750의 경우 ER2594, S32205의 경우 ER2209)를 사용하고 패스간 온도를 150도 미만으로 제어하고 PWHT를 피하는 것입니다. 300~800도 범위. GTAW(TIG) 및 SAW 용접은 일반적으로 SMAW(스틱)보다 더 높은 HAZ 샤르피 값을 달성합니다.

듀플렉스 SS에 대한 샤르피 V{0}}노치(CVN)와 CTOD 파괴 인성 테스트의 차이점은 무엇입니까?

샤르피 V-노치(CVN)는 표준화된 노치 표본을 파단하기 위해 흡수된 총 에너지(줄 단위)를 측정합니다.-이는 빠르고 저렴한 스크리닝 테스트이며 ASTM A240/A790에서 요구하는 표준 품질 관리 도구입니다. CTOD(균열 팁 개방 변위)는 실제 균열과 유사한-결함-을 포함하는 재료의 파괴 ​​인성(mm 단위)을 측정하여 주어진 응력과 온도에서 파손을 일으키는 임계 균열 크기를 알려줍니다. 해양 플랫폼, 북극 파이프라인 및 임계 압력 용기의 경우 엔지니어가 Charpy 데이터만으로는 불가능한 치명적인 균열 이전에 허용 가능한 최대 결함 크기를 계산할 수 있기 때문에 CTOD가 점점 더 지정되고 있습니다. 일반적으로 품질 관리 및 재료 인증을 위해 샤르피를 사용합니다. 서비스 평가 및 중요 설계를 위한 적합성-에-CTOD를 사용하세요.

저온 인성에 있어서 린 듀플렉스 스테인리스강(예: 2101, 2002)은 2205와 어떻게 비교됩니까?-

린 듀플렉스 등급(LDX 2101, UNS S32101; 2002, UNS S32003)은 Ni 함량이 낮고(5~8%에서 1.5~5%로) 비용이 더 저렴한 2205에 대한 경제적인 대안입니다. 저온{10}인성은 특정 오스테나이트 부피 분율(AVF)과 질소 함량에 따라 달라집니다. LDX 2101(AVF ~45%, N ~0.22%)은 -20도에서 55~70J, -40도에서 30~50J의 샤르피 값을 보여줍니다. -많은 해양 및 북극 응용 분야에 적합하지만 2205(50% AVF로 -20도에서 60~100J 달성)만큼 일관되게 강하지는 않습니다. 설계 온도가 -40도 미만인 북극 프로젝트의 경우 린 듀플렉스보다 2205 또는 슈퍼 듀플렉스를 권장합니다. −20도에서 −30도 사이의 해양 플랫폼의 경우 린 듀플렉스 2101은 −20도 이하에서 샤르피 테스트를 수행하는 경우 2205에 대한 수용 가능하고 비용 효율적인 대안입니다.{34}}

듀플렉스 스테인리스강은 영하-온도에서 충격(샤르피) 테스트가 필요하며, 테스트 온도를 어떻게 결정합니까?

예, 설계 온도가 0도 미만이거나 해당 코드(ASME B31.3, VIII{19}}1, NORSOK, API, CSA Z662)에서 이를 지정하는 경우 가능합니다. 테스트 온도는 일반적으로 작동 중 예상되는 가장 낮은 금속 온도에 작동 과도 현상에 대한 허용치를 더한 설계 금속 온도입니다. 표준 지침: (1) 북해/멕시코만 연안: 최소 −20도에서 테스트(NORSOK M-001). (2) 북극 파이프라인: 최소 -40도에서 테스트합니다(CSA Z662, ISO 3183). (3) LNG 재기화 터미널 배관: 최소 -40도에서 테스트(프로젝트 사양). (4) 온대 기후의 일반 화학 공장: 공정 유체 온도가 0도 미만으로 떨어지지 않는 한 ASTM A240에 따른 실온 샤르피로 충분합니다. 확실하지 않은 경우 최저 예상 작동 온도보다 최소 10도 낮은 여유를 두고 최소 설계 금속 온도에서 테스트하십시오.