Wie behält ein Metall seine Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen? Chrom-Molybdän-Stahl, der in der Ölraffinerie und der chemischen Industrie weit verbreitet ist, erreicht dies durch seine einzigartige Legierungszusammensetzung. Dieser Blogbeitrag befasst sich mit den Eigenschaften, der Hitzebeständigkeit und der Korrosionsbeständigkeit von Chrom-Molybdän-Stahl. Erfahren Sie mehr über die Konstruktion und Fertigung und warum dieses Material für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen so wichtig ist. Tauchen Sie ein und erfahren Sie, wie Chrom-Molybdän-Stahl Ihr nächstes technisches Projekt verbessern kann.
Chrom-Molybdän-Stahl, auch bekannt als wasserstoffbeständiger Stahl für mittlere Temperaturen, ist eine Hochleistungslegierung, die sich durch eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit auszeichnet. Diese Verbesserung wird durch die gezielte Zugabe von Legierungselementen, hauptsächlich Chrom (Cr ≤10%) und Molybdän (Mo), erreicht.
Der Synergieeffekt dieser Legierungselemente verbessert nicht nur die mechanischen Eigenschaften des Stahls, sondern verleiht ihm auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und eine hervorragende Hochtemperaturleistung. Diese Eigenschaften machen Chrom-Molybdän-Stahl zu einem unentbehrlichen Werkstoff für verschiedene anspruchsvolle industrielle Anwendungen, darunter Ölraffination, chemische Wasserstoffverarbeitungsanlagen und Hochtemperaturgeräte.
Im Bereich der Druckbehälterherstellung hat sich Chrom-Molybdän-Stahl aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaftskombination als bevorzugter Werkstoff etabliert. Seine Fähigkeit, die strukturelle Integrität unter erhöhten Temperaturen und Drücken aufrechtzuerhalten, gepaart mit seiner Widerstandsfähigkeit gegen wasserstoffinduzierten Abbau, macht ihn besonders geeignet für die anspruchsvollen Umgebungen, die in der Prozessindustrie anzutreffen sind.
Dieser Artikel befasst sich mit den vielfältigen Aspekten von Chrom-Molybdän-Stahl im Rahmen des Jiutai-Methanolsyntheseprojekts. Wir erkunden die besonderen Eigenschaften des Werkstoffs und untersuchen kritische Überlegungen in den verschiedenen Phasen der Projektumsetzung, einschließlich der Optimierung der Konstruktion, der Fertigungsprozesse, der Protokolle für zerstörungsfreie Prüfungen, der Wärmebehandlungsverfahren und der Betriebsverfahren während der Inbetriebnahme und des Stillstands der Anlage. Durch eine umfassende Betrachtung dieser Faktoren wollen wir Erkenntnisse gewinnen, die zu einem sicheren, effizienten und zuverlässigen Betrieb von Chrom-Molybdän-Stahlanlagen in der Methanolsynthese und ähnlichen anspruchsvollen Industrieprozessen beitragen können.
Der Zusatz von Elementen wie Chrom, Molybdän und Alaun verbessert die Beständigkeit des Stahls gegen Hochtemperaturoxidation und die Hochtemperaturfestigkeit.
Der Wirkungsmechanismus ist wie folgt: Chrom kommt in erster Linie in Zementit (Fe3C) vor, und das im Zementit gelöste Chrom erhöht die Zersetzungstemperatur der Karbide, verhindert das Auftreten von Graphitierung und erhöht so die Hitzebeständigkeit des Stahls.
Molybdän hat eine festigkeitssteigernde Wirkung auf Ferrit und kann auch die Stabilität von Karbiden erhöhen, was der Hochtemperaturfestigkeit von Stahl zugute kommt.
Die Zugabe einer angemessenen Menge Vanadium ermöglicht es dem Stahl, bei höheren Temperaturen ein feinkörniges Gefüge beizubehalten, was die thermische Stabilität und Festigkeit des Stahls erhöht.
Elemente wie Chrom und Molybdän erhöhen die Stabilität der Karbide, verhindern ihre Zersetzung und verringern so die Gefahr der Methanbildung durch die Reaktion von Karbiden und ausgefälltem Kohlenstoff mit Wasserstoff.
Durch den Zusatz von Vanadium kann der Stahl sein feinkörniges Gefüge auch bei höheren Temperaturen beibehalten, was die Stabilität des Stahls unter hohen Temperaturen und Druckbedingungen deutlich erhöht.
Die Anlassversprödung von Chrom-Molybdän-Stahl bezieht sich auf das Phänomen, dass die Kerbschlagzähigkeit des Stahls abnimmt, wenn er über einen längeren Zeitraum im Temperaturbereich von 370°C bis 595°C betrieben wird.
Dies ist genau der Temperaturbereich, in dem unsere üblicherweise verwendeten Wasserstoffanlagen arbeiten. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass bei Chrom-Molybdän-Stahl in Druckbehälterqualität die Anlassversprödung am stärksten ist, wenn der Chromgehalt zwischen 2% und 3% liegt.
Elemente wie Phosphor, Antimon, Zinn, Arsen, Silizium und Mangan haben einen erheblichen Einfluss auf die Versprödung. Die Versprödung ist reversibel; Materialien, die stark versprödet sind, können durch eine geeignete Wärmebehandlung wieder entsprödet werden.
Durch den Zusatz von Legierungselemente wie Chrom, Molybdän und Vanadium, wird die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit des Stahls verringert, was die Stabilität des unterkühlten Austenits erhöht.
Wenn die Abkühlgeschwindigkeit beim Schweißen schnell ist, wird die Umwandlung von Austenit zu Perlit in der überhitzten Zone der hitzebeeinflussten Zone ist unwahrscheinlich.
Stattdessen verwandelt sie sich in Martensit bei niedrigeren Temperaturen und bildet eine abgeschreckte Struktur.
Unter der kombinierten Wirkung von komplexen Eigenspannungen an der geschweißte Verbindung und diffundiertem Wasserstoff ist das abgeschreckte Gefüge im Schweißnahtbereich und in der Wärmeeinflusszone sehr anfällig für wasserstoffinduzierte, verzögerte Rissbildung.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen sollten die ausgewählten Werkstoffe nicht nur eine hervorragende Wasserstoffkorrosionsbeständigkeit aufweisen, sondern auch die Tendenz zur Versprödung wirksam kontrollieren.
Außerdem sollten sie über gute Schweißbarkeit. Die chemische Zusammensetzung bestimmt die Struktur, die Struktur bestimmt die Leistung, und die Leistung bestimmt die Verwendung. Letztlich liegt der Schlüssel in der Kontrolle der chemischen Zusammensetzung.
3.1.1 Maßnahmen gegen Wasserstoffkorrosion
Chrom-Molybdän-Stahl unterliegt selbst unter hohem Druck bei niedrigeren Temperaturen (~200°C) keiner Wasserstoffkorrosion. Er kann jedoch Wasserstoffkorrosion erleiden, wenn er in Hochtemperatur- und Hochdruck-Wasserstoffumgebungen eingesetzt wird.
Normalerweise wählen wir Chrom-Molybdän-Stahlwerkstoffe für bestimmte Betriebsbedingungen auf der Grundlage der Nelson-Kurve aus, die der Betriebstemperatur und dem Wasserstoffpartialdruck entspricht.
Wie aus der Nelson-Kurve ersichtlich ist, ist die Beständigkeit gegen Wasserstoffkorrosion umso größer, je höher der Chrom- und Molybdängehalt ist.
Wenn die Betriebsbedingungen des Behälters oberhalb der durchgezogenen Linie liegen, deutet dies auf das Auftreten von Wasserstoffkorrosion hin. Wenn sie unterhalb der durchgezogenen Linie liegen, bedeutet dies, dass keine Wasserstoffkorrosion auftritt.
3.1.2 Maßnahmen zur Kontrolle der Tendenz zur Sprödigkeit
Durch die Regulierung des Gehalts an Elementen wie P, Sb, Sn, As, Si und Mn im Material kann die Tendenz zur Versprödung kontrolliert werden.
Zu diesem Zweck werden in der Regel der Versprödungsempfindlichkeitskoeffizient J des üblichen Stahls und der Versprödungsempfindlichkeitskoeffizient x des Schweißguts verwendet. Für den üblicherweise verwendeten 2.25Cr-1Mo werden die folgenden Kontrollindizes verwendet:
Bei praktischen technischen Anwendungen ist es auch notwendig, den Gehalt an den Restelementen Cu und Ni zu kontrollieren. Der Cu-Gehalt sollte nicht mehr als 0,20% und der Ni-Gehalt nicht mehr als 0,30% betragen.
3.1.3 Bestimmung der Rissempfindlichkeit
Die Rissempfindlichkeit steht im Zusammenhang mit dem Kohlenstoffäquivalent, dessen Wert vom Hersteller auf der Grundlage der folgenden Kriterien bestimmt werden sollte Schweißverfahren Bewertung.
Die Berechnungsmethode lautet: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
Mit steigendem Kohlenstoffäquivalentwert verschlechtert sich die Schweißbarkeit des Stahls. Wenn der Ceq-Wert größer als 0,5% ist, steigt die Empfindlichkeit gegenüber Kaltrissen, und die Schweiß- und Wärmebehandlungsverfahren wird strenger werden.
Für üblicherweise verwendete Cr-Mo-Stahlwerkstoffe mit 485Mpa ≤ UTS <550Mpa ist Ceq in der Regel auf etwa 0,48% begrenzt.
Beim simulierten Schweißen und Wärmebehandlung nach dem Schweißen an Schweißgutprüfplatten durchgeführt werden, kann das maximale Kohlenstoffäquivalent auf 0,5% erhöht werden.
Aufgrund der hohen Härtungsneigung von Cr-Mo-Stahl neigt er zu verzögerter Rissbildung und Rissbildung an den Schweißnähten.
Daher ist die Strukturdesign sollten die folgenden Punkte beachten:
3.2.1 Verringern Sie den Grad der Einschränkung und gestalten Sie die Verbindungsstruktur vernünftig.
3.2.2 Die Schweißfläche darf keine Hinterschneidung aufweisen.
3.2.3 Die Lochbewehrung sollte als Ganzes ausgeführt werden, und es sollten keine Ringbewehrungsstrukturen verwendet werden.
3.2.4 Düsen mit Innenverlängerung sollten nicht verwendet werden.
3.2.5 Die Verbindung mit dem Zubehör sollte eine doppelseitige vollständige Durchdringung Struktur, und Eckschweißungen sollten nicht verwendet werden.
3.2.6 Die Stoßverbindung des Zylinders sollte vorzugsweise mit einem U-förmigen Rille.
Cr-Mo-Stahl hat einen höheren Kohlenstoffäquivalentwert und neigt im Allgemeinen in unterschiedlichem Maße zur Kaltrissbildung. Dies kann durch die folgenden Maßnahmen verhindert werden:
3.3.1 Strenge Kontrolle des Wasserstoffgehalts im Schweißdraht und eine wasserstoffarme basische Elektrode verwenden.
3.3.2 Das Vorwärmen sollte vor dem Schweißen der Baugruppe erfolgen. Durch das Vorwärmen wird die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißmaterial kann reduziert werden, um die Bildung spröder, harter Strukturen zu verhindern.
Die Vorwärmtemperatur wird bestimmt durch den Schweißprozessbewertung. Vor der Bewertung des Schweißprozesses wird eine Schweiß Rissprüfung an der Probe durchgeführt werden, um die Vorwärmtemperatur zu bestimmen, die nicht niedriger sein sollte als die Vorwärmtemperatur während des gesamten Schweißprozesses.
Gleichzeitig sollte die Zwischenlagentemperatur nicht niedriger sein als die Vorwärmtemperatur. Unmittelbar nach dem Schweißen sind Nachwärmmaßnahmen zu ergreifen.
Jedes Blech aus Cr-Mo-Stahl, das für das Gehäuse verwendet wird, sollte einer Ultraschallprüfung unterzogen werden.
Bei dickwandigen Hochtemperatur- und Hochdruck-Reaktionsgefäßen sollten nach der 100%-Durchstrahlungsprüfung der Stoßfugen eine Ultraschallprüfung und eine zusätzliche Magnetpulverprüfung durchgeführt werden an Schweißnähte für die Ultraschallprüfung nach der Wärmebehandlung und der hydrostatischen Prüfung zulässig.
Die Ultraschallprüfung ist empfindlicher für Risse und Defekte als die Durchstrahlungsprüfung, daher sollte sie unter Berücksichtigung des Zeitplans für die zerstörungsfreie Prüfung sorgfältig durchgeführt werden.
Während des Herstellungsprozesses des Behälters kann Wasserstoffgas in das Metall eindringen und kleine Risse im Stahl verursachen, ein Phänomen, das als Wasserstoffversprödung.
Um eine Wasserstoffversprödung zu verhindern, sollte eine Dehydrierungsbehandlung nach dem Schweißen unverzüglich durchgeführt werden.
Bei der Dehydrierungsbehandlung werden die Schweißnaht und der angrenzende Grundwerkstoff unmittelbar nach dem Schweißen auf eine hohe Temperatur erhitzt, wodurch sich der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff im Stahl erhöht.
Dies fördert das Ausströmen von übersättigten Wasserstoffatomen im Schweißgut und verhindert so das Auftreten von kalte Risse. Eine Dehydrierungsbehandlung kann als unnötig erachtet werden, wenn unmittelbar nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) durchgeführt wird.
Gefäße aus Cr-Mo-Stahl jeder Dicke sollten einer umfassenden Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen werden. Die Wärmebehandlung von Cr-Mo-Stahl nach dem Schweißen beseitigt nicht nur Eigenspannung sondern verbessert auch die mechanischen Eigenschaften des Stahls, was für die Beständigkeit gegen Wasserstoffkorrosion von Vorteil ist.
Cr-Mo-Stahl kann spröde versagen, wenn die Betriebstemperatur niedrig oder nahe der Übergangstemperatur von duktil zu spröde ist und die Spannung ein bestimmtes Niveau erreicht.
Ein solches Versagen ist jedoch nahezu vermeidbar, wenn die tatsächliche Spannung im Behälter weniger als ein Fünftel des Streckgrenze von Cr-Mo-Stahl.
Daher sollte bei Druckbehältern aus Cr-Mo-Stahl ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur vor dem Druck beim Anfahren und zur Senkung des Drucks vor der Temperatur beim Abschalten angewandt werden, um ein sprödes Versagen zu verhindern.
Bei der Umsetzung der internationalen Norm für Cr-Mo-Stahlwerkstoffe
Aufgrund der Diskrepanzen bei der Bestimmung des Sicherheitsfaktors und der Berechnungsmethoden zwischen nationalen und internationalen Normen für die zulässige Materialspannung sollte man bei der Verwendung von Cr-Mo-Stahlwerkstoffen aus internationalen Normen die nationalen Regeln für die Berechnung der zulässigen Spannung anwenden.
Am Beispiel von SA387Cr.11G1.2 lässt sich die zulässige Spannung wie folgt berechnen:
Ermitteln Sie zunächst die Zugfestigkeit und Streckgrenze bei verschiedenen Temperaturen für das Material von ASME.
Die zulässige Spannung bei Raumtemperatur ist der kleinere Wert zwischen der Raumtemperatur-Zugfestigkeit geteilt durch 3,0 und der Streckgrenze geteilt durch 1,5.
Da es im Inland keine Daten über die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen gibt, wird die zulässige Spannung bei hohen Temperaturen ermittelt, indem die Streckgrenze bei hohen Temperaturen durch 1,6 dividiert wird.
Ist der berechnete Wert größer als die bei Raumtemperatur zulässige Spannung, ist der Wert bei Raumtemperatur zu übernehmen. Andernfalls ist der berechnete Wert zu verwenden.
Die zulässige Spannung dieses Werkstoffs nach ASME zeigt, dass die zulässige Spannung bei einer Temperatur von mehr als 450℃ schnell abfällt, wobei die Kriechgrenze die zulässige Spannung bestimmt.
Da ASME keine Angaben zur Kriechgrenze über 450℃ macht und die Sicherheitsfaktoren für die Kriechgrenze in den nationalen Normen und ASME übereinstimmen, übernehmen wir direkt die zulässige Spannung aus ASME. Die spezifische zulässige Spannung bei der Auslegungstemperatur kann durch Interpolation ermittelt werden.
In diesem Artikel werden einige spezifische Anforderungen an Cr-Mo-Stahlwerkstoffe beschrieben. Bei der detaillierten Planung ist es notwendig, alle Aspekte gemäß den Standardspezifikationen zu berücksichtigen und eine umfassende Analyse durchzuführen, um eine sichere, wirtschaftliche und rationelle Konstruktion zu erreichen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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