Wie ist die Leistung von Duplex-Stahlrohren unter Hochtemperatur und Hochdruck?

Zweiphasige Edelstahlrohre (z. B. S32205, 2507 usw.) besitzen die Eigenschaften sowohl von austenitischen als auch von ferritischen Edelstählen und zeigen einzigartige Leistungsvorteile in Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen. Allerdings haben sie auch gewisse Einschränkungen. Im Folgenden wird eine detaillierte Analyse aus den wichtigsten Leistungsdimensionen vorgestellt: 

I. Kernleistung in Hochtemperaturumgebungen

1. Mechanische Eigenschaften: Hohe Festigkeit und Kriechbeständigkeit

Vorteile bei normalen und mittleren Temperaturen: Die Streckgrenze von Duplex-Edelstahl (typischerweise 400 - 600 MPa) ist 1,5 - 2 Mal höher als die von austenitischem Edelstahl (z. B. 304, 316L, mit einer Streckgrenze von 200 - 300 MPa). Er kann selbst bei hohen Temperaturen (≤300°C) eine hohe Zugfestigkeit und Verformungsbeständigkeit aufrechterhalten, was ihn geeignet macht, mechanische Lasten bei hohem Druck zu ertragen.

Einschränkungen der Hochtemperaturfestigkeit: Wenn die Temperatur 350°C überschreitet, wird die Festigkeit von Duplex-Edelstahl allmählich mit steigender Temperatur abnehmen, und seine Kriechbeständigkeit (die Fähigkeit, langsame Verformungen bei hohen Temperaturen zu widerstehen) ist schwächer als die von hochlegiertem austenitischem Edelstahl (z. B. 310S). Beispielsweise ist seine Kriechgrenze bei Temperaturen über 400°C deutlich niedriger als die von 310S, daher ist er nicht für die langfristige Verwendung bei Ultra-Hochtemperaturen über 400°C geeignet.

2. Organisatorische Stabilität: Temperaturempfindliches "Phasengleichgewicht"

Der Kernvorteil von Duplex-Stahl beruht auf dem Gleichgewichtsverhältnis von Austenit und Ferrit (in der Regel jeweils 40%-60%), aber hohe Temperaturen stören dieses Gleichgewicht:

Im Bereich von 300-400°C: Der Ferrit kann allmählich in die spröde σ-Phase (eine intermetallische Phase) zerfallen, was zu einer Abnahme der Zähigkeit und einer Zunahme der Sprödigkeit führt und anfällig für Tieftemperatur-Schlagbruch ist.

Über 450°C: In der Austenitphase können Karbide oder intermetallische Phasen ausfallen, was die mechanischen Eigenschaften weiter verschlechtert und sogar das Phänomen der "Hochtemperaturversprödung" verursachen kann.

Daher beträgt die empfohlene Langzeiteinsatztemperatur von Duplex-Stahl in der Regel nicht mehr als 300-350°C, und kurzfristig (z. B. bei An- und Abfahrbedingungen) kann er 400°C standhalten, aber die Zeit muss streng kontrolliert werden.

3. Korrosionsbeständigkeit: Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion in rauen Medien

In Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen erhöht sich die Korrosivität von Medien (z. B. Chloridionen, Sulfide oder Dampf enthaltendes Wasser) erheblich. Die Korrosionsbeständigkeit von Duplex-Stahl ist wie folgt:

Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrissbildung (SCC): Überlegen gegenüber austenitischem Stahl (z. B. 316L), insbesondere in Chloridionen enthaltendem Hochtemperatur- und Hochdruckwasser (z. B. Meerwasserentsalzung, chemische Hochdruckwärmetauscher). Aufgrund der Ferritphase kann es die Chloridspannungskorrosion, die leicht in austenitischem Stahl auftritt, hemmen.

Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion: Hoher Chrom- und Molybdängehalt (z. B. 2507 mit 25% Cr und 4% Mo). Die Lochfraßbeständigkeitsequivalenzzahl (PREN) ist normalerweise >30, überlegen gegenüber 316L (PREN ≈ 25). Es kann lokale Korrosion in Hochtemperatur- und hochkonzentrierter Salznebel, sauren Medien widerstehen.

Hochtemperaturoxidationsverhalten: Der Chromgehalt (typischerweise 21%-25%) ist höher als der von gewöhnlichem austenitischem Stahl. Es kann bei 300-400°C einen dichten Oxidfilm bilden und hat eine gute Oxidationsbeständigkeit. Aber über 600°C beschleunigt die Oxidationsrate erheblich und ist nicht so gut wie hochchrom-nickelhaltiger austenitischer Stahl (z. B. 310S, mit 25% Cr und 20% Ni). 

II. Kernleistung in Hochdruckumgebungen

1. Druckfestigkeit: Der Vorteil der Wandstärke durch hohe Festigkeit

Die hohe Festigkeit (Zugfestigkeit ≥ 600 MPa) von Duplex-Stahl ermöglicht es ihm, höhere Betriebsdrücke zu ertragen. Bei gleichem Betriebsdruck kann die Wandstärke von Duplex-Stahlrohren um 30 % - 50 % im Vergleich zu Austenit-Stahlrohren reduziert werden. Dies senkt nicht nur die Materialkosten, sondern verringert auch den Wärmeübergangswiderstand (dünnere Wände fördern den Wärmeübergang besser), was es für Wärmetauscher in Hochdruckkesseln geeignet macht (z. B. unter Bedingungen mit einem Druck > 10 MPa).

2. Ermüdungs- und Schlagfestigkeit

In Hochdruckumgebungen kann die Rohrleitung aufgrund von Druckschwankungen periodischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Dauerfestigkeit von Duplex-Stahl (etwa 200 - 300 MPa nach 10⁷ Zyklen) ist höher als die von Austenit-Stahl, und es hat eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit (-40°C Schlagarbeit ≥ 40 J), was sprödes Brechen unter Hochdruckschlag verhindern kann.

III. Anwendbare Szenarien und Einschränkungen Anwendbare Szenarien

Mittlere Temperatur und hoher Druck + korrosives Medium: wie Wärmetauscher in chemischen Hochdruckreaktionsgefäßen (Temperatur 200-350℃, Druck 10-30MPa, Medium enthält Chloridionen und Schwefelwasserstoff), Hochdruckverdampfer für Meerwasserentsalzung usw.

Arbeitsbedingungen, die sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit erfordern: wie Hochdruckwärmetauschereinrichtungen in der Öl- und Gasförderung (enthält Salzwasser, CO₂/H₂S-Hochtemperaturfluide).

Einschränkungen

Nicht für ultrahohe Temperaturen geeignet: Wenn die Temperatur 400℃ überschreitet, sinken die mechanische Stabilität und die Oxidationsbeständigkeit. In diesem Fall müssen 310S und andere hochtemperaturbeständige austenitische Edelstähle verwendet werden.

Hohe Anforderungen an das Schweißverfahren: Beim Schweißen muss die Wärmezufuhr streng kontrolliert werden, um einen übermäßigen Ferritgehalt oder die Ausscheidung der σ-Phase zu vermeiden. Andernfalls werden die Zähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnaht verringert. Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (z. B. Lösungsglühen bei 1050-1100℃) ist erforderlich.

Hocher Kostenaufwand: Der Legierungsgehalt (Nickel, Molybdän) von Duplex-Stahl ist höher als der von 304/316L. Die Beschaffungskosten betragen ungefähr 1,5 - 2 Mal die von 316L, und die Auswahl sollte auf der Grundlage des Kostennutzenverhältnisses der Arbeitsbedingungen erfolgen. 

Zusammenfassung

Das Duplex-Stahlrohr zeigt in Umgebungen unter 300 - 350℃, unter hohem Druck (≤ 30 MPa) und in Gegenwart von korrosiven Medien (z. B. Chloridionen, Sulfide) eine ausgezeichnete Leistung. Es verfügt über eine hohe Festigkeit (druckbeständig), eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit (beständig gegen Spannungskorrosion / Lochfraß) und eine gute Zähigkeit. Es ist eine ideale Wahl für anspruchsvolle Bedingungen. Es sollte jedoch extrem hohe Temperaturen (＞ 400℃) vermieden werden, und es muss auf die Kontrolle der Schweißqualität geachtet werden, um eine stabile Leistung zu gewährleisten.