بررسی امکان جایگزینی فولاد AISI 309 با AISI 310S در Hot Section یک توربین گازی

با نام و یاد خدا

موضوع این مقاله کوتاه که قبلا توسط بنده در گروه تلگرامی ایران مواد عرضه شده بود، جهت استفاده سایرین تقدیم شده است:

عنوان بحث: جایگزینی فولاد 309 با 310 اس در بخش هات سکشن توربین گازی میتسوبیشی:تحلیل متالورژیک و خستگی حرارتی

بخش اول) معرفی فولاد AISI 309

آلیاژ 309، گرید نیکل-کروم دار از گروه فولاد های زنگ نزن آستنیتی با شماره مواد 1.4828 است که برای اطلاع از نحوه کدگذاری و تفسیر شماره متریال، مراجعه به سمیناری در همین زمینه در وبسایت ایران مواد توصیه می شود. این گرید در استاندارد ASTM A167 تعریف شده است.

بخش دوم) معرفی فولاد AISI 310S

این گرید نیز جزء دسته بندی فولاد های نیکل-کرومی آستنیته قرار می گیرد و تفاوت آن با 310، کربن بسیار کمتر آن است که موجب به حداقل رسیدن رسوب کاربید ها و جوش پذیری بهتر می شود. شماره مواد این گرید 1.4845 است. این گرید نیز در استاندارد ASTM A167  تعریف شده است.

بخش سوم) تحلیل شیمیایی

میزان کربن آلیاژ 1.4828 دقیقا 2.5 برابر 1.4845 است، اما سیلیسیم آن نصف آلیاژ اخیر است که می تواند در حفظ استحکام در دماهای بالا (بیش از 600 درجه سلسیوس) بسیار مفید باشد. از سوی دیگر، اما، 1.4845 ضعف خود در زمینه کربن را با افزایش چشمگیر در مقادیر سیلیسیم، کروم، و نیکل جبران می کند. بطوریکه علاوه بر بهبود مقاومت به اکسیداسیون در گرما، 1.4845 از داکتیلیته و چقرمگی بالاتری در گرما برخوردار است که در نهایت، خواص خزشی بهتری را برای آن به ارمغان می آورد (نمودار های 3 و 5 را ببینید)

پس، تا اینجای کار، از لحاظ جوش پذیری، شکل دهی، مقاومت به خوردگی داغ، و پایداری ابعادی، آلیاژ 1.4845 عملکرد بهتری نسبت به 1.4828 دارد. اما، چقدر بهتر؟ این چیزی است که بزودی در بخش چهارم خواهیم فهمید.

بخش چهارم) تحلیل پارامتریک

براساس استاندارد DIN EN 10095 حداکثر دمای کاری برای آلیاژ 1.4828 برابر 1000 و برای 1.4845 برابر 1050 درجه سلسیوس است. نمودار شماره 1 حاوی اطلاعاتی در خصوص نحوه افت تنش تسلیم این دو آلیاژ در برابر افزایش دمای عملکردی (بازه 600 تا 900 درجه سلسیوس) است. آنچه که از این نمودار بر می آید آنست که آلیاژ 1.4845 یا 310 کم کربن افت تنش تسلیم خود را در نقطه ای بالاتر (حدود 20 درصد) شروع کرده و با شیب نسبتا آرامتری (تقریبا 13 درصد) استحکام خود را از دست می دهد

در نتیجه، می توان گفت که افزایش سیلیس و نیکل منجر به پایداری ابعادی بهتری برای 1.4845 در گرما می شود.  نمودار شماره 1 را ببینید.

نمودار 1: روند کاهش استحکام تسلیم دو فولاد AISI 309 و AISI 310S (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار های شماره 2 و 4 حاوی تغییرات حد خزش دو آلیاژ، به ترتیب، 1.4828 و 1.4845، در بازه دمایی 600 تا 900 درجه سلسیوس و در سه چک پوینت 1000 ساعت، 10 هزار ساعت، و 100 هزار ساعت قرار گیری در معرض شرایط پرحرارت هستند (منبع تمامی داده ها: توتال متریا/Total Materi). تحلیل عددی نمودار های 2 و 4 نشان دهنده آن است که پس از 1000 ساعت قرار گیری در شرایط حرارتی، هر دو آلیاژ یک رفتار خزشی را از خود نشان می دهند (خطا: 0.07 درصد). اما، اختلاف زمانی بروز می کند که دو آلیاژ بمدت 10 هزار ساعت در همان بازه قرار گیرند. بطوریکه 1.4828 به میزان 125 برابر بیشتر از 1.4845 استحکام خزشی خود را حفظ می کند (خطا: 1.02 درصد).

البته، این اختلاف پس از 100 هزار ساعت قرار گیری در شرایط دمایی فوق باندازه 40 درصد کاهش می یابد (خطا: 0.67 درصد). به نمودار های 2 و 4 دقت کنید.

نمودار 2: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4828 برحسب زمان (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار 3: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4828 برحسب دما (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار های شماره 3 و 5 حاوی تغییرات پارامتریک تنش خزشی دو فولاد، به همان ترتیب فوق، در چهار رده دمایی (600، 700، 800، و 900 درجه سلسیوس) با سه چک پوینت زمانی 1000، 10 هزار، و 100 هزار ساعت قرار گیری مداوم در هر رده دمایی است. تحلیل عددی نمودار های 3 و 5 نشان دهنده آن است که در رده 600 درجه سلسیوس، شیب افت تنش برای 1.4845 کمی بیشتر از یک سوم 1.4828 است (خطا در هر دو نمودار: صفر).

این اختلاف در رده 700 درجه، به حدود 5 درصد می رسد. اما، در رده 800 درجه سلسیوس، شیب افت استحکام خزشی برای آلیاژ 1.4845 به میزان 40 درصد کمتر از 1.4828 خواهد بود که عدد بزرگی است (خطا: صفر). از همه جالبتر اما، رده دمایی 900 درجه سلسیوس است. چراکه هر دو آلیاژ مورد مطالعه، در این رده دمایی رفتاری مشابه یکدیگر دارند. به نمودار های 3 و 5 دقت کنید.

نمودار 4: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4845 برحسب دما (منبع داده ها: Total Materia)

نمودار 5: روند کاهش حد خزش آلیاژ فولاد 1.4845 برحسب زمان (منبع داده ها: Total Materia)

بخش پنجم) نتیجه گیری

با توجه به تحلیل های شیمیایی و پارامتریک، آلیاژ 310 کم کربن جایگزین مناسبی برای 309 در رده های دمایی 600 و 800 درجه سلسیوس است. اما، اگر رده دمایی عملکرد مداوم توربین در 700 و 900 درجه باشد، نمی توان 310 کم کربن را نسبت به 309 مرجح دانست.

از دیدگاه تعمیر و نگهداری، اما، با تعویض آلیاژ به 310 کم کربن، زمان چک های اولیه و تعمیر اوورهال کوتاهتر خواهد شد.