1. Introdução
Em ambientes industriais exigentes - que variam de plataformas offshore a plantas de processamento químico - os materiais devem combinar alta resistência, Excelente resistência à corrosão, e fabricação confiável.
ASTM A890/A995 Classes de aços inoxidáveis duplex e super-duplex de elenco atendem a esses requisitos rigorosos.
Este artigo examina suas principais distinções, propriedades químicas e mecânicas, e aplicações típicas, Equipando engenheiros e profissionais de compras com as idéias necessárias para a seleção ideal de liga.
2. Visão geral da especificação ASTM A890/A995
ASTM A890: Baseado em [Unidades em inglês] (KSI, ° f, em, etc.), Especifica a composição química, Propriedades mecânicas e requisitos de inspeção de peças fundidas de aço inoxidável duplex e super-duplex.
ASTM A995: É a métrica (E) versão do A890, que traduz quase todas as cláusulas de A890 literalmente, mas converte força, temperatura, tamanho, etc.. em unidades métricas como MPA, ° c, mm, etc..
ASTM A890/A995 Cobras peças fundidas feitas de aços inoxidáveis ferríticos austeníticos. Ele se divide em seis notas “A”, de 1UM (duplex de liga inferior) para 6UM (Super-duplex de maior liga).
- Escopo e aplicabilidade: O padrão se aplica a componentes como caixas de bomba, corpos da válvula, e acessórios de tubulação que operam em mídia corrosiva.
- Duplex vs.. Classificação Super-Duplex:
-
- Duplex Aça (Graus 1A - 3A) Recurso ~ 50/50 microestruturas de ferrite-austenita.
- Super-duplex Aça (Graus 4A -6a) contêm Mo e N elevados para aumentar a resistência ao pitting.
- Fundição vs.. Paralelos forjados: Cada nota corresponde a equivalentes forjados (Por exemplo, Grau 3A → UNS J92205 CAST ↔ UNS S32205 WRUTH), Simplificando a substituição do material.
3. Nomenclatura de grau & Designações de UNS
A nomeação enigmática "Na" da ASTM reflete o conteúdo e o desempenho das ligas ascendentes:
| Nota | Nos fundamenta | Forjado uns | Nome comum |
|---|---|---|---|
| 1UM | J93370 | S31500 | Duplex 2101 |
| 2UM | J92220 | S31803 | Duplex 2202 |
| 3UM | J92205 | S32205 | Duplex 2205 |
| 4UM | J93380 | S32550 | Super-duplex 2509 |
| 5UM | J93404 | S32750 | Super-duplex 2507 |
| 6UM | J93380* | S32760 | Super-duplex 2570 |
*6A compartilha um pouco semelhante ao 4a, mas requer níveis mais altos de MO/N.
À medida que você passa de 1a para 6a, adições elementares - especialmente Mo e N - risse constantemente, Aumentar a resistência e força da corrosão.
4. Comparação de composição química
Uma olhada atenta aos elementos de liga no ASTM A890/A995 notas revela como as mudanças incrementais no cromo, níquel, molibdênio, e desempenho de acionamento de nitrogênio.
Em particular, notas 3UM (Duplex 2205 elenco) e 5UM (Super-duplex 2507 elenco) mostrar a mudança do duplex padrão para a química super-duplex.
| Elemento | Papel | Grau 3A (J92205) | Grau 5A (J93404) |
|---|---|---|---|
| Cr | Barreira de corrosão primária | 24.0–26.0 wt % | 24.0–26.0 wt % |
| Em | Estabilizador de austenita; resistência | 4.5–6.5 wt % | 6.0–8.0 wt % |
| MO | Enhancer de resistência à picada/fenda | 2.5–3.5 em peso % | 3.0–5.0 wt % |
| N | Reforço de força e resistência ao pitting | 0.10–0.20 wt % | 0.24–0.32 wt % |
| Mn | Deoxidizer; redutor de custo | ≤ 1.5 wt % | ≤ 1.5 wt % |
| E | Desoxidação e auxílio à fluidez | ≤ 1.0 wt % | ≤ 1.0 wt % |
| C | Força, mas risco de carboneto | ≤ 0.04 wt % | ≤ 0.03 wt % |
| P, S | Limites de impureza | P ≤ 0.04 wt %, S ≤ 0.03 wt % | P ≤ 0.04 wt %, S ≤ 0.03 wt % |
Observação: Todos os números em porcentagem de peso.
Impacto de custo de elementos de liga
Finalmente, Enquanto molibdênio e nitrogênio aumentam acentuadamente o desempenho, Eles também elevam os custos materiais crus:
- Molibdênio vende para $25–35/kg contra $5–8/kg para níquel. UM 1 wt % O aumento do conteúdo de MO adiciona aproximadamente $0.25–0.35 por quilograma de liga.
- Azoto é mais econômico na produção de ligas, mas requer carregamento de alta pressão, aumentando a complexidade do processamento.
5. Propriedades mecânicas
Transição da composição química para o desempenho em serviço, As propriedades mecânicas determinam como as notas de fundição A890/A995 suportam cargas, impactos, e deformação.
Em particular, Notas 3UM (Duplex 2205) e 5UM (Super-duplex 2507) Forneça melhorias significativas de força em relação aos aços inoxidáveis austeníticos convencionais, mantendo resistência suficiente para ambientes dinâmicos.
| Propriedade | Grau 3A (J92205) | Grau 5A (J93404) | 300-Série Austenitic (E.G.. 316L) |
|---|---|---|---|
| Resistência à tracção | ≥ 655 MPA (95 KSI) | ≥ 795 MPA (115 KSI) | ~ 485 MPA (70 KSI) |
| Força de escoamento (0.2%) | ≥ 450 MPA (65 KSI) | ≥ 550 MPA (80 KSI) | ~ 170 MPA (25 KSI) |
| Alongamento | ≥ 25 % | ≥ 15 % | ≥ 40 % |
| Dureza (HRC) | ≤ 25 | ≤ 32 | ≤ 22 |
| Impacto charpy (–50 ° C.) | ≥ 40 J | ≥ 40 J | ≥ 20 J |
Força e rigidez
Primeiro, As notas duplex e super-duplex possuem Forças de tração pelo menos 1.3–1,6 × superior a 316L.
Consequentemente, Os designers exploram paredes mais finas ou conjuntos mais leves sem sacrificar a capacidade de suportar carga.
Além disso, força de escoamento- o estresse em que a deformação permanente começa - leva a ~ 170 MPa em 316l para 450 MPA no grau 3A, e 550 MPA no grau 5A, oferecendo resistência robusta ao fluxo e fluxo plástico.
Ductilidade e resistência
Apesar de sua alta força, Essas ligas duplex mantêm adequadas alongamento (≥ 15–25 %). Em contraste, Muitos aços de alta resistência sofrem ductilidade abaixo 10 %.
Além disso, Testes charpy v-notch em –50 ° C. confirmar energias de impacto ≥ 40 J, o que indica que ambos os graus resistem à fratura frágil, mesmo em serviço abaixo de zero.
Dureza e resistência ao desgaste
Próximo, um 25 HRC limite no grau 3A e 32 HRC na dureza do equilíbrio de grau 5A com máquinabilidade e soldabilidade.
Por comparação, Aços de ferramentas totalmente endurecidos funcionam acima 55 HRC, mas falta resistência à corrosão. Na prática, esses níveis de dureza se traduzem em resistência aprimorada à abrasão, reduzindo as taxas de desgaste até 50 % versus 316L em testes de erosão de chorume.
6. Resistência à corrosão
Os aços duplex e super-duplex superam a austenítica em mídia agressiva:
Corrosão geral:
Em 3% Hcl em 50 ° c, Grau 3A Corrode em < 0.05 mm/ano, comparado a ≈ 0.2 mm/ano para 316 Ss (ASTM G31).
Pitting & Resistência à fenda:
-
- Grau 3A (Madeira ~ 32) resiste aos níveis de cloreto até 1 M em 25 ° c.
- Grau 5A (Madeira >40) suporta > 3 M cloreto em condições semelhantes (ASTM G48).
Rachadura de corrosão por estresse:
Microestruturas duplex - especialmente em 5a - oferece alta resistência ao cloreto SCC, permitindo uma operação segura até 150 ° c.
7. Vantagens do ASTM A890/A995 Cast Duplex e Super-Duplex Steels
As notas de fundição ASTM A890/A995 oferecem uma combinação convincente de propriedades que as diferenciam dos aços inoxidáveis convencionais.
Alta proporção de força / peso
- Resistência à tracção sobe para 795 MPA no grau 5A e 655 MPA No grau 3A - apropriado 1.6× o de 316 L Austenítico A aço inoxidável (≈ 485 MPA).
- Força de escoamento alcance 550 MPA (5UM) versus apenas 170 MPA para 316 L, permitindo que os designers reduzam a espessura da parede até 30% mantendo a capacidade de carga equivalente.
Em virtude deste impulso de força, Os componentes duplex fundidos pesam menos ainda que suportam pressões internas mais altas - translatando em bombas mais claras, válvulas, e acessórios que não comprometem a segurança.
Corrosão superior e resistência à erosão
- Número equivalente de resistência ao pitting (Madeira) excede 40 no grau 5A e se senta 32 no grau 3A, comparado com 20 para 316 L.
- Em ASTM G48 testes de pitting, As peças fundidas super-duplex resistem aos níveis de cloreto acima 3 M no 25 ° c sem penetração, enquanto 316 L falha em 0.5 M.
Além disso, As microestruturas duplex fornecem resistência aprimorada à corrosão por erosão: Registros de ensaios de chorume-erosão 25–40% perda de massa mais baixa versus 316 L, Tornando A890/A995 ideal para lidar com fluxos de processo abrasivos.
Excelente resistência à rachadura de corrosão por estresse
- Ligas duplex mantêm um equilíbrio 50/50 mistura de ferrite-austenita que impede a iniciação e propagação do SCC.
- Experiência de campo mostra zero incidentes de rachaduras de corrosão por estresse em blocos de coletores offshore (Grau 5A) sobre 10 anos de serviço em ambientes ricos em H₂s.
Essa confiabilidade sob carga de tração e ataque corrosivo reduz drasticamente os desligamentos não planejados e os custos de manutenção.
Fabricação e soldabilidade
- Os aços elenco A890/A995 aceitam preenchimentos de grau duplex padrão (ER2209, ER2594), alcançando ≥ 90% eficiência conjunta.
- Após a solução pós-solda, recozida em 1 050 ° c, As zonas de solda recuperam o equilíbrio duplex ideal, garantindo propriedades uniformes no elenco.
Sua forma de elenco permite geometrias complexas - passagens integrais, paredes finas, e cantos filetados - isso exigiria uma extensa usinagem ou soldagem se feita a partir de placa forjada.
Benefícios de custo do ciclo de vida
- Embora os custos materiais crus sejam executados 20–30% superior a 316 L, intervalos de serviço estendido (muitas vezes 2–3 × mais longo) e frequência de reposição reduzida entrega 10–20% menor custo total de propriedade sobre 20 anos.
- Estudos de caso em plantas de dessalinização indicam 50% menos interrupções não planejadas ao atualizar de 316 L às caixas da bomba de grau 3A.
Consequentemente, O prêmio inicial para as peças fundidas A890/A995 geralmente se paga por meio de tempo de inatividade minimizado e manutenção.
Ampla versatilidade da aplicação
- De Corpos da válvula de processo químico e Blocos submarinos do coletor para vasos de osmose reversa, Esses aços fundidos se apresentam de forma confiável em pH 0-14, temperaturas –50 ° C a 300 ° c, e pressões até 35 MPA.
- Seu histórico comprovado em óleo & gás, marinho, geração de energia, e processamento industrial ressalta seu status como ligas para as condições de serviço mais severas.
8. Aplicações e componentes típicos
Processamento químico
- Corpos de válvula e capotas
- Invólucros de bombas e impulsores
- Cascas de câmbio e folhas de tubo
Óleo & Gás (Subsea e Topside)
- Blocos submarinos e caixas de válvula de árvore de Natal
- Flanges e adaptadores da cabeça de poço
- Grupos de válvula de controle e gabinetes de atuadores
Dessalinização & Sistemas marinhos
- Membra de membrana de osmose reversa
- Impeladores da bomba de água do mar e anéis de difusor
- Cabeçalhos de água refrescante e tubulação de convés
Equipamento contendo pressão
- Conchas e cabeças de reator de alta pressão
- Cotovelos do pipeline, tees, e flanges de pescoço soldado
- Forros de tanque criogênicos e adaptadores de bicos
9. Conclusão
Resumindo, ASTM A890/A995 GRITAS 3A e 5A oferecer uma combinação atraente de desempenho mecânico e resistência à corrosão.
Grau 3A (Duplex 2205 elenco) se adequa a ambientes moderadamente corrosivos a um custo moderado,
enquanto Grau 5A (Super-duplex 2507 elenco) suporta o cloreto mais severo e as condições de alta temperatura-embora em um prêmio.
Recomendações:
- Selecione Grau 3A Quando os níveis de cloreto permanecem abaixo 1 M e temperatura < 100 ° c; Aproveite sua relação custo-benefício para corpos de bomba e válvula.
- Escolha Grau 5A para serviço submarino ou dessalinização onde prese > 40 é crítico; Sua resistência superior ao SCC garante longos intervalos de serviço.
- Siga controles rigorosos de soldagem e tratamentos térmicos pós-solda para preservar microestruturas duplex em componentes fundidos.
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