Thép không gỉ 304 và 316: So sánh hoàn chỉnh dành cho các nhà thiết kế hệ thống đường ống

TRẢ LỜI NHANH

Thép không gỉ 304 và 316 có các đặc tính cơ học gần như giống hệt nhau, nhưng 316 bổ sung thêm 2–3% molypden, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở.

Chỉ định 316 cho đường ống tiếp xúc với nước biển, clorua, muối làm tan băng hoặc chất lỏng xử lý hóa học mạnh; chỉ định 304 cho đường ống công nghiệp, kiến ​​trúc, thực phẩm và nước ngọt nói chung, nơi hiệu quả chi phí quan trọng hơn khả năng chống clorua.

316 thường có giá cao hơn 304 từ 20–30% do hàm lượng molypden và niken cao hơn - một mức phí bảo hiểm có thể dễ dàng biện minh khi giải pháp thay thế là hỏng rỗ sớm.

304 và 316 là hai loại thép không gỉ austenit được chỉ định rộng rãi nhất trong đường ống công nghiệp. Chúng trông giống hệt nhau, được hàn và tạo hình theo cùng một cách và các đặc tính cơ học được công bố của chúng hầu như không khác nhau - tuy nhiên sự lựa chọn giữa chúng sẽ quyết định liệu hệ thống đường ống có tồn tại được hàng thập kỷ hay bị hỏng trong vòng vài năm sử dụng. Hướng dẫn này so sánh 304 và 316 về thành phần, khả năng chống ăn mòn, tính chất cơ học, chi phí, chế tạo và độ phù hợp trong ứng dụng, giúp các nhà thiết kế hệ thống đường ống có cơ sở tham chiếu-rõ ràng về các tiêu chuẩn để lựa chọn cấp độ.

Sự khác biệt cơ bản giữa thép không gỉ 304 và 316 là gì?

Sự khác biệt cốt lõi là molypden: 316 chứa 2,0–3,0% molypden và 304 không chứa molypden, và sự bổ sung hợp kim duy nhất này là yếu tố phân biệt hiệu suất ăn mòn của hai loại.

Cả hai loại đều là thép không gỉ austenit được chế tạo trên nền crom 18% với đủ niken để ổn định pha austenit. Đó là lý do tại sao cả hai đều không có từ tính trong điều kiện ủ và về cơ bản có cùng độ bền, độ dẻo và khả năng hàn. Đặc điểm khác biệt, theo tiêu chuẩn ASTM A240, là 316 (UNS S31600) buôn bán một số crom và thêm molypden so với 304 (UNS S30400). Molypden tăng cường màng oxit crom-thụ động chống lại sự tấn công của các ion clorua, đó là lý do tại sao 316 thường được gọi là thép không gỉ "cấp hàng hải". Các biến thể-cacbon thấp tồn tại ở cả hai loại - 304L (S30403) và 316L (S31603) - và sẽ được đề cập trong phần sau.

So sánh 304 và 316 về thành phần hóa học?

316 khác với 304 chủ yếu ở việc bổ sung 2,0–3,0% molypden và phạm vi niken cao hơn một cách khiêm tốn (10,0–14,0% so với. 8.0–10,5%), với phạm vi crom thấp hơn tương ứng.

Bảng dưới đây liệt kê các giới hạn thành phần của ASTM A240 cho cả hai loại. Tất cả các giá trị đều là phần trăm trọng lượng tối đa trừ khi có phạm vi được đưa ra.

Nguồn: ASTM A240/A240M, Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho crom và crom-Tấm, tấm và dải thép không gỉ niken.

Lớp nào có khả năng chống ăn mòn tốt hơn?

thép 316mang lại khả năng chống ăn mòn tốt hơn đáng kể so với 304 trong môi trường axit-mang clorua và khử-axit, trong khi cả hai loại đều hoạt động tương tự khi tiếp xúc với khí quyển và nước ngọt có-clorua nhẹ, thấp.

Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ đến từ màng oxit crom-thụ động có khả năng tự-sửa chữa khi bị trầy xước hoặc mài mòn, miễn là có oxy. Các ion clorua phá vỡ cục bộ lớp màng này, bắt đầu ăn mòn rỗ và kẽ hở; molypden chống lại sự phân hủy đó bằng cách ổn định lớp thụ động, đó là lý do tại sao ưu điểm chống ăn mòn của 316 là đặc trưng cho clorua chứ không phải phổ quát. Một cách phổ biến để xếp hạng các cấp austenit cho khả năng chống rỗ là Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN), được tính bằng %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N.

Nguồn: PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N; giá trị thành phần tầm trung-điển hình theo tiêu chuẩn ASTM A240.

Trong thực tế, điều này có nghĩa là 304 rất phù hợp với môi trường công nghiệp khô, nước uống được và hầu hết các ứng dụng-tiếp xúc với thực phẩm, trong khi 316 là lựa chọn tiêu chuẩn để tiếp xúc với nước biển, khí quyển ven biển, tiếp xúc với muối làm tan băng và xử lý các dòng có chứa clorua, sunfat hoặc axit loãng.

Các nhà thiết kế đánh giá mức độ phơi nhiễm ở ranh giới - nước lợ, vùng bắn hóa chất hoặc chất lỏng xử lý có hàm lượng clorua- clorua cao - nên tiến hành hoặc chỉ định thử nghiệm ăn mòn rỗ và kẽ hở theo tiêu chuẩn ASTM G48 thay vì chỉ dựa vào PREN, vì PREN là công cụ sàng lọc hữu ích nhưng không tính đến độ hoàn thiện bề mặt, tình trạng mối hàn hoặc nhiệt độ sử dụng thực tế.

304 và 316 có khác nhau về tính chất cơ học không?

304 và 316 về cơ bản có các đặc tính cơ học tối thiểu giống hệt nhau trong điều kiện ủ, do đó độ bền cơ học không phải là yếu tố phân biệt để lựa chọn cấp độ.

Vì cả hai loại đều là austenit có hàm lượng crom-niken tương tự nhau nên ASTM A240 chỉ định cho chúng các yêu cầu về độ bền kéo tối thiểu, cường độ chảy và độ giãn dài như nhau. Sự khác biệt duy nhất được trích dẫn thường xuyên là mức cho phép độ cứng tối đa cao hơn một chút đối với 316.

Nguồn: Yêu cầu về đặc tính cơ học của ASTM A240/A240M, điều kiện ủ.

Do các giá trị cường độ tối thiểu bằng nhau nên độ dày thành và ứng suất cho phép theo ASME B31.3 về cơ bản là giống nhau đối với cả hai loại ở nhiệt độ vừa phải. Nhà thiết kế không nên mong đợi một lý do dựa trên điểm mạnh-để chọn loại này hơn loại kia; quyết định nên được quyết định bởi mức độ tiếp xúc với sự ăn mòn và chi phí, sẽ được đề cập tiếp theo.

Có sự khác biệt đáng kể về chi phí giữa 304 và 316 không?

316 thường có giá cao hơn 20–30% so với 304, do hàm lượng niken cao hơn và molypden bổ sung, cả hai đều được định giá trên thị trường hàng hóa toàn cầu đầy biến động.

Niken và molypden là một trong những nguyên tố hợp kim đắt nhất được sử dụng trong thép không gỉ và cả hai đều chịu sự biến động giá đáng kể gắn liền với sản lượng khai thác toàn cầu, nhu cầu nhà máy không gỉ và giao dịch đầu cơ. Bởi vì 316 chứa nhiều niken hơn và bổ sung thêm molypden vào tính chất hóa học của 304, nên chi phí vật liệu cơ bản của nó luôn cao hơn và phí bảo hiểm đó có xu hướng tăng thêm khi giá niken hoặc molypden tăng đột biến.

Đối với hệ thống đường ống, sự so sánh phù hợp hơn là tổng chi phí vòng đời thay vì chỉ riêng chi phí vật liệu: việc chỉ định 304 trong ứng dụng tiếp xúc với clorua-để tiết kiệm chi phí vật liệu trả trước thường dẫn đến rò rỉ do rỗ-, ngừng hoạt động ngoài kế hoạch và thay thế đường ống sớm, tất cả đều có chi phí cao hơn nhiều so với chi phí ban đầu của 316.

Có sự khác biệt trong hành vi hàn và chế tạo?

Mối hàn 304 và 316 và hình dạng gần như giống nhau, nhưng phải sử dụng kim loại phụ 316 (ER316/316L) để duy trì khả năng chống ăn mòn trên toàn bộ mối hàn và nên sử dụng các cấp độ-cacbon thấp hoặc ổn định ở những nơi không thể xử lý nhiệt sau mối hàn-.

Cả hai loại đều được hàn dễ dàng bằng các quy trình GTAW, GMAW và SMAW và phản ứng với quá trình tạo hình nguội theo cách giống nhau, vì hoạt động tạo hình bị chi phối chủ yếu bởi cấu trúc vi mô austenit chung thay vì hàm lượng molypden. Vấn đề quan trọng cần cân nhắc khi chế tạo cho cả hai loại là độ nhạy: tiếp xúc kéo dài trong phạm vi 425–870 độ (800–1600 độ F), chẳng hạn như trong quá trình hàn-nhiều lớp, có thể kết tủa cacbua crom ở các ranh giới hạt và làm cạn kiệt ma trận crom xung quanh, khiến vùng-bị ảnh hưởng nhiệt dễ bị ăn mòn giữa các hạt. Đây là lý do tại sao các nhà chế tạo đường ống thường chỉ định các biến thể-carbon thấp - 304L và 316L - cho hệ thống đường ống hàn thay vì các loại carbon tiêu chuẩn.

Nhà thiết kế có nên chỉ định 304L/316L thay vì tiêu chuẩn 304/316 không?

Có - đối với bất kỳ hệ thống đường ống hàn nào, cấp độ-cacbon L- thấp (304L, 316L) là lựa chọn mặc định vì hàm lượng cacbon giảm của chúng chống lại sự nhạy cảm mà không cần xử lý nhiệt sau-hàn.

304L (UNS S30403) và 316L (UNS S31603) giới hạn carbon ở mức 0,030% thay vì 0,08%, làm chậm quá trình kết tủa cacbua crom đủ để hầu hết các mối hàn đường ống tránh được hiện tượng nhạy cảm có hại ngay cả khi không ủ-dung dịch hàn sau. Sự đánh đổi-là mức giảm vừa phải về độ bền nhiệt độ trong phòng-so với các cấp tiêu chuẩn mà bảng ứng suất cho phép của ASME B31.3 đã tính đến.

Do chênh lệch chi phí giữa ống tiêu chuẩn và ống cấp L{0}}là nhỏ so với chi phí chế tạo và kiểm tra nên hầu hết các thông số kỹ thuật đường ống dành cho quy trình và dịch vụ hàng hải chỉ mặc định là 316L, dành tiêu chuẩn 316 cho các bộ phận sẽ được ủ dung dịch-sau khi hàn hoặc có lượng nhiệt đầu vào mối hàn không đáng kể.

Ứng dụng nào phù hợp nhất với đường ống 304 và 316?

thép 304phù hợp với đường ống công nghiệp, kiến ​​trúc, HVAC và thực phẩm/đồ uống nói chung trong môi trường nước ngọt hoặc khô, trong khi 316 là mặc định cho môi trường biển, ngoài khơi, xử lý hóa chất, dược phẩm và clorua-tiếp xúc hoặc làm tan{2}}băng-muối.

Các nhà thiết kế hệ thống đường ống nên chọn giữa 304 và 316 như thế nào?

Chọn 316 bất cứ khi nào hệ thống đường ống tiếp xúc với clorua, nước biển,-muối làm tan băng hoặc các hóa chất xử lý mạnh; chọn 304 khi môi trường khô, nước ngọt hoặc bị ăn mòn nhẹ và hiệu quả chi phí là ưu tiên hàng đầu.

Danh sách kiểm tra lựa chọn thực tế dành cho các nhà thiết kế hệ thống đường ống:

Xác định chất lỏng và bất kỳ hàm lượng clorua nào, bao gồm cả việc tiếp xúc không liên tục chẳng hạn như hóa chất tẩy rửa-tại-hoặc khí quyển ven biển.

Xác nhận khả năng chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ hoạt động - đối với cả hai loại đều giảm ở nhiệt độ cao và-các loại hợp kim cao hơn có thể được đảm bảo trên khoảng 60 độ (140 độ F) trong dịch vụ clorua.

Mặc định là cấp L{0}}(304L/316L) cho mọi đường ống yêu cầu hàn tại hiện trường.

Cân nhắc chi phí tăng thêm của 316 với chi phí cho thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, sửa chữa rò rỉ và thay thế đường ống nếu xảy ra hiện tượng rỗ.

Xác minh việc lựa chọn cấp độ theo mã đường ống quản lý (ASME B31.3) và mọi thông số kỹ thuật vật liệu cụ thể-của dự án trước khi hoàn tất các thông số kỹ thuật mua hàng.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Ống 316 có thể được sử dụng ở bất cứ nơi nào có chỉ định ống 304 không?

Đáp: Có - 316 đáp ứng hoặc vượt quá hiệu suất ăn mòn cơ học và nói chung của 304, vì vậy nó có thể thay thế cho 304 trong hầu hết mọi ứng dụng. Điều ngược lại là không đúng: 304 không nên thay thế cho 316 trong dịch vụ tiếp xúc với clorua.

Hỏi: Thép không gỉ 316 có từ tính không?

Đáp: Cả 304 và 316 đều là austenit và về cơ bản là không có từ tính-trong điều kiện ủ, mặc dù gia công nguội có thể tạo ra từ tính nhẹ ở cả hai loại.

Hỏi: Sự khác biệt giữa 316 và 316L là gì?

Đáp: 316L có hàm lượng cacbon tối đa thấp hơn (0,030% so với. 0.08%), giúp cải thiện khả năng chống lại sự nhạy cảm liên quan đến mối hàn-với mức chi phí nhỏ ở độ bền nhiệt độ phòng-; khả năng chống ăn mòn đối với clorua về cơ bản là giống nhau giữa hai loại.

Hỏi: Thép không gỉ 316 có bị rỉ sét không?

Đáp: 316 vẫn có thể bị ăn mòn trong các điều kiện đủ mạnh - nồng độ clorua cao, nhiệt độ cao, điều kiện oxy (kẽ hở) thấp hoặc màng thụ động bị hư hỏng - nhưng nó chống lại các điều kiện này lâu hơn đáng kể so với 304 do hàm lượng molypden của nó.

Hỏi: Ống 316 đắt hơn ống 304 bao nhiêu?

Đáp: 316 thường có mức giá cao hơn 20–30% so với 304, do hàm lượng niken cao hơn và hàm lượng molypden bổ sung, mặc dù mức chênh lệch chính xác dao động theo giá thị trường niken và molypden.