Марка 2 (UNS R50400) представляет собой коммерчески чистый титан — основной материал в химической промышленности, легко поддающийся формовке и сварке, обладающий превосходной стойкостью к общей коррозии. Марка 12 (UNS R53400, Ti-0,3Mo-0,8Ni) содержит добавки никеля (0,8%) и молибдена (0,3%), что позволяет повысить предел текучести примерно на 25% и расширить диапазон температур, при которых сохраняется стойкость к щелевой коррозии, до значений, недостижимых для марки 2. Компромиссом является более высокая на ~13% цена за единицу, однако при повышенном давлении и температуре сосуды из марки 12 требуют более тонких стенок — и общая стоимость проекта может фактически оказаться на 21% ниже. В данном руководстве проводится сравнение обоих марок по каждому свойству, приводятся расчетные допустимые значения согласно разделу VIII стандарта ASME, а также предлагается четкая система принятия решений, позволяющая определить, в каких случаях переход на более высокую марку целесообразен с инженерной и экономической точек зрения.
Краткий обзор: титан 12-го и 2-го классов
| Недвижимость | 2-й класс (R50400) | 12-й класс (R53400) | Победитель |
|---|---|---|---|
| Состав | 99%+ Ti (CP) | Ti + 0,8% Ni + 0,3% Mo | — |
| UTS (мин., ASTM B265) | 345 МПа (50 кси) | 483 МПа (70 кси) | 12 класс |
| Предел текучести (мин) | 275 МПа (40 кси) | 345 МПа (50 кси) | 12 класс |
| Удлинение (мин) | 20% | 18% | 2 класс |
| Плотность | 4,51 г/см³ | 4,51 г/см³ | Галстук |
| Теплопроводность | 22 Вт/м·К | 19–21 Вт/м·К | 2 класс |
| Усталостная прочность | ~250 МПа | ~280 МПа | 12 класс |
| Общая коррозия | Превосходно | Превосходно | Галстук |
| Щелковая коррозия (горячий рассол) | Неустойчив при температуре выше ~80 °C | Устойчив к температурам до ~240 °C при pH > 2 | 12 класс |
| Устойчивость к воздействию кипящей соляной кислоты | До ~0,11 TP3T (конц.). | До ~1% по концентрации. | 12 класс |
| Свариваемость | Превосходно | Превосходно | Галстук |
| Допустимо по стандарту ASME при температуре 300°F | 12 000 фунтов на квадратный дюйм | 16 200 фунтов на квадратный дюйм | 12 класс |
| Стоимость материалов | Нижний уровень (~$13/фунт) | Более высокий (~$15/фунт, ~13% надбавка) | 2 класс |
| Стоимость системы (повышенное давление/температура) | Более высокий (с более толстыми стенками) | Часто меньше (более тонкие стенки) | 12 класс |
| Стандарты ASTM | B265 Gr2, B337, B338, B348 | B265 Gr12, B337, B338, B348, B381 | — |
| Типовые применения | Общий индекс потребительских цен, морской транспорт, медицина | Горячий рассол, CPI, опреснение воды, геотермальная энергия | — |
Чем 12-й класс отличается от 2-го?
Марка 12 представляет собой марку 2 с двумя целенаправленными добавками: 0,81 TP3T никеля и 0,31 TP3T молибдена. В этом и заключается все различие в составе. Обе марки имеют одинаковые предельные значения содержания углерода (не более 0,08%), азота (не более 0,03%), кислорода (не более 0,25%), водорода (не более 0,0151 TP3T) и железа (не более 0,301 TP3T). Остаток титана составляет примерно 97,6–99,21 TP3T в марке 12 по сравнению с 98,9–1001 TP3T в марке 2.
Эти небольшие добавки вызывают изменения, которые несоразмерны их массовым долям.
Почему никель?
Никель (Ni, 0,6–0,9%) повышает пороговую температуру, при которой пассивная оксидная пленка титана разрушается в хлоридных средах. В чистом титане защитная пленка TiO₂ становится уязвимой для щелевой коррозии в горячих концентрированных растворах хлоридов — в первую очередь потому, что геометрия щели создает локальные кислотные условия с дефицитом кислорода, которые оксидная пленка не может выдержать при повышенной температуре. Никель стабилизирует пассивную пленку в этих условиях, значительно повышая порог начала коррозии.
Именно поэтому для нагревателей рассола на опреснительных установках предписывается использование материала 12-го класса, тогда как при использовании материала 2-го класса потребовалось бы либо применять палладиесодержащий материал (гораздо более дорогой), либо установить ограничение на рабочую температуру, что снизило бы эффективность установки.
Почему именно молибден?
Молибден (Mo, 0,2–0,4%) действует по иному механизму. В восстановительных кислотных средах — особенно при эксплуатации в условиях воздействия соляной кислоты — молибден повышает стойкость сплава к равномерной коррозии. Такую же роль молибден играет в нержавеющей стали марки 316, где добавка 2–3% Mo является основной причиной того, что эта марка гораздо лучше выдерживает воздействие HCl и разбавленной серной кислоты, чем марка 304.
В классе 12 содержание кислоты значительно ниже, однако это заметно расширяет сферу применения материала, позволяя использовать его в условиях разбавленных кислотных растворов, где в классе 2 скорость коррозии превышает типичный инженерный порог в 5 мил в год (mpy).
В совокупности никель и молибден делают марку № 12 тем, что в отрасли называют “титан ”практически коммерческой чистоты“ или ”бедный сплав» — он сохраняет превосходную формуемость и свариваемость, характерные для марки 2, при этом значительно повышая коррозионную стойкость, особенно в агрессивных восстановительных средах или средах с переменными окислительно-восстановительными условиями.
Механические свойства: марка 12 по сравнению с маркой 2
12-й класс значительно превосходит 2-й класс — и не просто незначительно. Минимальное значение предела прочности при растяжении (UTS) по стандарту ASTM B265 составляет 483 МПа (70 кси) для марки 12 по сравнению с 345 МПа (50 кси) для марки 2, что соответствует разнице 40% на минимальном уровне, предусмотренном спецификацией. Типичные значения сокращают этот разрыв: 530–550 МПа против 420–515 МПа, но на практике марка 12 по-прежнему демонстрирует на 15–26% более высокое предельное сопротивление при растяжении.
Преимущество в прочности играет важную роль при проектировании сосудов под давлением и трубопроводов, поскольку допустимые напряжения по стандарту ASME зависят от предела прочности на разрыв и предела текучести. При расчетах в соответствии с Разделом VIII, Частью 1 для условий повышенных температур преимущество марки Grade 12 позволяет уменьшить толщину стенок, что напрямую компенсирует ее более высокую удельную стоимость.
Полное сравнение механических свойств
| Недвижимость | 2-й класс (R50400) | 12-й класс (R53400) | Источник |
|---|---|---|---|
| UTS, минимальное значение | 345 МПа (50 кси) | 483 МПа (70 кси) | ASTM B265 |
| UTS, типичный отжиг | 345–515 МПа | 530–550 МПа | MatWeb, AZoM |
| Предел текучести, минимальный | 275 МПа (40 кси) | 345 МПа (50 кси) | ASTM B265 |
| Предел текучести, типичное значение | 275–410 МПа | 380–410 МПа | MatWeb, AZoM |
| Относительное удлинение при разрыве, мин. | 20% | 18% (лист) | ASTM B265 |
| Относительное удлинение, типичное | 23–28% | 21% | MakeItFrom |
| Уменьшение площади | 37% | 28% | MakeItFrom |
| Модуль упругости | 110 ГПа | 105–110 ГПа | AZoM, MakeItFrom |
| Прочность на сдвиг | 270 МПа | 330 МПа | MakeItFrom |
| Усталостная прочность | ~250 МПа | ~280 МПа | MakeItFrom |
| Твёрдость по Бринеллю | ~120–160 по шкале ХБ | 180–235 по шкале ХБ | AZoM |
| Плотность | 4,51 г/см³ | 4,51 г/см³ | ASTM B265 |
| Теплопроводность | 22 Вт/м·К | 19–21 Вт/м·К | MakeItFrom, AZoM |
| Тепловое расширение | 9,0 мкм/м·К | 8,6–9,6 мкм/м·К | AZoM, MakeItFrom |
Что означают показатели пластичности
Марка 2 демонстрирует несколько более высокое удлинение (типичное значение для 23% по сравнению с 21% для марки 12) и значительно более высокое уменьшение площади поперечного сечения (37% по сравнению с 28%). Это означает, что марка 2 более устойчива при холодной деформации — она растягивается дальше, прежде чем возникнут трещины. Для изготовления сложных форм марка 2 по-прежнему остается материалом, с которым легче работать.
Более высокая твёрдость марки 12 (до 235 HB по сравнению с 160 HB у марки 2) означает её повышенную износостойкость, что имеет важное значение при использовании в насосах и клапанах с абразивными средами. Однако его механическая обработка представляет несколько большую сложность — рекомендуется использовать более низкие скорости и твердосплавные инструменты (маркировка C1–C4).
Плотность и вес
Оба сорта имеют практически одинаковую плотность (4,50–4,51 г/см³), что составляет примерно 56% от плотности нержавеющей стали. Преимущество титана перед сталью по весу сохраняется независимо от того, какой сорт вы выберете. При сравнении сорта 12 и сорта 2 для конструкций, где важен вес, плотность не является определяющим фактором.
Коррозионная стойкость: за что марка 12 заслуживает свою высокую цену
Оба сорта обладают превосходной стойкостью к общей коррозии — но самое интересное в этом решении заключается не в этом. Благодаря пассивной пленке TiO₂ на поверхности чистого титана как марка 2, так и марка 12 практически не подвержены коррозии под воздействием морской воды, разбавленных солевых растворов, большинства органических кислот и окисляющих сред при умеренных температурах. В условиях эксплуатации, при которых ни одна из этих марок не подвергается коррозии, более высокую стоимость марки 12 трудно оправдать.
Это различие проявляется в трёх конкретных случаях: щелевая коррозия в горячих хлоридных растворах, восстановительных кислотных средах и при эксплуатации при температурах выше 80 °C в рассолах.
Щелковая коррозия: ключевой фактор, определяющий разницу
Щелковая коррозия — это ’ахиллесова пята» коммерчески чистого титана. Она возникает, когда геометрия щели (под прокладками, в резьбовых соединениях, между трубой и трубной доской) создает зону застоя, лишенную кислорода, в горячем растворе хлоридов. В этой зоне уровень pH снижается, и оксидная пленка разрушается. Для титана марки 2 это, как правило, становится проблемой при температурах выше 70–80 °C в концентрированных хлоридных средах.
В 12-м классе этот порог повышается примерно до 240 °C (464 °F) при значениях pH выше 2. Добавление никеля является основным фактором. Опубликованные данные по коррозии (из технического издания Tricor Metals «MTI Connect 2020», основанные на результатах отраслевых испытаний) показывают, что в насыщенном рассоле:
- Сталь марки 2/2H подвергается щелевой коррозии при повышенных температурах даже при значении pH, равном 2
- Сталь марки Grade 12 не подвергается щелевой коррозии при pH > 2 в диапазоне температур до 240 °C
Речь идет не о незначительном улучшении — это примерно трехкратное расширение безопасной рабочей зоны при эксплуатации в среде с высоким содержанием хлоридов. Нагреватели рассола на опреснительных установках, геотермальные теплообменники и теплообменники химических заводов, работающие при температуре выше 80 °C в среде с высоким содержанием хлоридов, — именно в таких условиях применение материала класса 12 оправдывает себя.
Важный момент, на котором стоит остановиться: ни одна из марок не демонстрирует поглощения водорода в горячем рассоле при pH от нейтрального до кислого. Сталь марки 2 по-прежнему остается подходящим выбором для применения в средах с содержанием хлоридов при условии, что температура не превышает ~80 °C и принимаются меры по предотвращению образования щелей.
Услуги по работе с соляной кислотой
В кипящей соляной кислоте граница концентрации чётко разделяет эти два сорта:
| Концентрация HCl (при кипении) | 2 класс | 12 класс |
|---|---|---|
| 0,051 TP3T (≈pH 2) | ≤5 м/г ✓ | ≤5 м/г ✓ |
| 0.1% | Маргинальный | ≤5 м/г ✓ |
| 0.5% | >5 мпй ✗ | ≤5 м/г ✓ |
| 1.0% | Высокая скорость ✗ | ≤5 м/г ✓ |
| 2.0% | Очень высокий показатель ✗ | >5 мпй — подвержен коррозии ✗ |
| 5.0% | Тяжёлая степень ✗ | Тяжёлая степень ✗ |
Данные основаны на публикации Tricor Metals MTI CONNECT, в которой приводятся результаты отраслевых испытаний на коррозионную стойкость. Пороговое значение в 5 мпй (0,127 мм/год) является широко применяемым инженерным показателем.
Марка 2 практически никогда не применяется для работы с HCl. Марка 12 применима при концентрации HCl, не превышающей примерно 1% при температуре кипения — это, конечно, значительно меньше, чем у палладиесодержащих марок (7, 11, 16, 17), предназначенных для работы в сильно восстановительных средах, но достаточно для многих технологических потоков химической переработки, в которых присутствуют следы HCl.
Восстановительная среда и окислительная среда
Нелегированный титан (марка 2) демонстрирует превосходные характеристики в окислительных средах, поскольку пассивная оксидная пленка является термодинамически устойчивой. В восстановительных средах — разбавленных минеральных кислотах без растворенных окислителей — он ведет себя неудовлетворительно, поскольку пленка не сохраняется. Добавление молибдена в марку 12 специально направлено на устранение этого недостатка: Mo стабилизирует пленку в слабовосстановительных условиях и расширяет диапазон применения в смешанных или переменных окислительно-восстановительных средах.
Практический вывод: если в технологическом потоке чередуются окислительные и восстановительные условия (что часто встречается в периодических химических реакторах), материал 12-го класса значительно надежнее, чем материал 2-го класса.
Допустимые значения ASME: экономическое обоснование применения стали 12-го класса
Разница в цене за фунт между сортами 12 и 2 отражает лишь часть картины. Сталь 12-го сорта, как правило, стоит примерно на 13% больше за фунт (примерно $15,07 против $13,34 за фунт по данным Tricor Metals за 2020 год; текущие рыночные цены варьируются, но относительная надбавка остается примерно на том же уровне). Для инженеров, ориентирующихся исключительно на закупочную цену материала, эта надбавка выглядит как невыгодное затратное решение. Сравнение допустимых значений по стандарту ASME показывает, почему такая оценка является неполной.
В разделе VIII, подразделе 1 стандарта ASME установлены допустимые расчетные напряжения для сосудов под давлением. Для марки 12 допустимые значения выше при любой температуре:
ASME, раздел VIII, подраздел 1. Расчетные допустимые напряжения
| Температура | 2H класс (R50400) | 12-й класс (R53400) | Преимущества 12-го класса |
|---|---|---|---|
| 100 °F (38 °C) | 16 600 фунтов на квадратный дюйм | 20 000 фунтов на квадратный дюйм | +20% |
| 150 °F (66 °C) | 15 900 фунтов на квадратный дюйм | 20 000 фунтов на квадратный дюйм | +26% |
| 200 °F (93 °C) | 14 400 psi | 18 700 фунтов на квадратный дюйм | +30% |
| 250 °F (121 °C) | 13 100 фунтов на квадратный дюйм | 17 400 psi | +33% |
| 300 °F (149 °C) | 12 000 фунтов на квадратный дюйм | 16 200 фунтов на квадратный дюйм | +35% |
| 400 °F (204 °C) | 10 200 фунтов на квадратный дюйм | 14 300 фунтов на квадратный дюйм | +40% |
| 500 °F (260 °C) | 8 800 фунтов на квадратный дюйм | 13 100 фунтов на квадратный дюйм | +49% |
| 600 °F (315 °C) | 7 600 фунтов на квадратный дюйм | 12 300 фунтов на квадратный дюйм | +62% |
Источник: Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел VIII, часть 1, как указано в издании Tricor Metals MTI Connect 2020.
Преимущество по допустимому напряжению увеличивается с ростом температуры. При температуре 600 °F марка 12 обладает более высоким допустимым напряжением, чем марка 2H, для стали 62%. Это напрямую влияет на толщину стенок — и, следовательно, на общий вес материала.
Расчет реальных судов
Для резервуара при температуре 300 °F (149 °C) и давлении 300 psi:
| 2H класс | 12 класс | |
|---|---|---|
| Рассчитанная минимальная толщина | 1,53 дюйма. | 1,14 дюйма. |
| Использована стандартная пластина | 1,75 дюйма (1-3/4″) | 1,25 дюйма (1-1/4″) |
| Разница в весе материала | 40% и другие | Исходные данные |
| Стоимость материалов за фунт | $13.34 | $15.07 |
| Общая стоимость материалов | 29% и другие | Исходные данные |
Расчет выполнен в соответствии с разделом VIII, частью 1 стандарта ASME с использованием приведенных выше расчетных значений. Источник: Tricor Metals MTI Connect 2020.
При 100 °F и 100 psi преимущество меньше, но все же сохраняется (для марки 2H требуется толщина листа 0,40″, тогда как для марки 12 — 0,33″). При повышенном давлении и температуре — именно в тех условиях, когда также возрастает риск щелевой коррозии — марка 12 одновременно обеспечивает как защиту от коррозии, так и экономическую выгоду.
Итого: стоимость емкостей, изготовленных из стали марки Grade 12, может оказаться примерно на 21% ниже в целом по сравнению с аналогичными сосудами из марки 2H при эксплуатации в условиях повышенной температуры и давления. Стоимость изготовления сопоставима, поскольку обе марки одинаково поддаются сварке и формовке.
Эти расчёты не всегда говорят в пользу марки Grade 12. При эксплуатации в средах с низким давлением и низкой температурой, содержащих хлориды, где можно устранить щелевую геометрию (например, за счёт использования сварных соединений вместо фланцев с прокладками), преимущество получает марка Grade 2 благодаря более низкой удельной стоимости.
Производство: сварка, формовка и механическая обработка
С точки зрения производителя, марки Grade 12 и Grade 2 ведут себя одинаково. Оба сорта отличаются превосходной свариваемостью и поддаются как горячей, так и холодной штамповке. Это одна из причин, по которой сорт 12 в технических условиях иногда называют “готовым решением для модернизации”: предприятия, регулярно работающие с сортом 2, могут перейти на сорт 12 без переоснащения оборудования или переподготовки персонала.
Сварка
Сварка обоих марок осуществляется с использованием стандартных технологий сварки титана: сварка вольфрамовым электродом в среде газа (GTAW/TIG) с применением присадочного материала, соответствующего марке (ERTi-12 для марки 12, ERTi-2 для марки 2), при полной защите инертным газом без контакта с атмосферой во время сварки и охлаждения до температуры ниже 400°F. Защита аргоном или гелием одновременно обеспечивается для сварочной ванны, зоны термического влияния и корня сварного шва.
Микроструктура сварного шва у стали марки 12 несколько отличается из-за содержания никеля и молибдена, однако при соблюдении надлежащих технологических процедур сварные соединения сохраняют коррозионную стойкость, эквивалентную коррозионной стойкости основного металла. Коэффициенты эффективности сварных соединений и квалификационные требования к технологическим процедурам, предусмотренные разделом IX стандарта ASME, применимы к обеим маркам.
Практическое замечание: для стали марки 12, эксплуатируемой в агрессивных средах, иногда предписывается отжиг после сварки. Диапазон температур отжига составляет 732–816 °C (1350–1500 °F) с выдержкой в течение 2 часов и охлаждением на воздухе. Промежуточный снятие напряжений: 538–649 °C (1000–1200 °F) в течение 1 часа, охлаждение на воздухе.
Формирование
Обе марки демонстрируют схожие характеристики пружинного возврата при холодной штамповке, как и аустенитные нержавеющие стали. Марка 12 немного тверже (по Бринеллю до 235 HB против 160 HB у марки 2), поэтому усилия формовки и износ штампа несколько выше. При глубокой вытяжке или сложных операциях холодной штамповки более высокая пластичность марки 2 (уменьшение площади у марки 37% по сравнению с 28% у марки 12) обеспечивает большую свободу при обработке.
Горячая штамповка повышает пластичность обеих марок. Температура черновой ковки марки 12 составляет 871 °C (1600 °F), а чистовой ковки — 788–843 °C (1450–1550 °F).
Для марки 12 рекомендуется проводить отжиг после холодной обработки с целью восстановления оптимальной коррозионной стойкости и снятия остаточных напряжений.
Обработка
Более высокая твёрдость марки 12 обусловливает более низкие скорости резания, более высокое давление на режущий инструмент и более интенсивное выделение тепла по сравнению с маркой 2. Рекомендуемые режущие инструменты: из карбида вольфрама (обозначения C1–C4) или на основе кобальта. Критически важно обеспечить достаточный расход охлаждающей жидкости — низкая теплопроводность титана (19–21 Вт/м·К) приводит к тому, что тепло концентрируется на режущей кромке, а не рассеивается в стружке. Высокие скорости подачи снижают риск упрочнения заготовки.
Если предприятие уже имеет опыт обработки материала 2-го класса, то для обработки материала 12-го класса потребуется соблюдать те же правила, а также использовать несколько более консервативные настройки скорости. Разница не столь значительна.
Применение: где используется каждая марка
2-й и 12-й классы охватывают пересекающиеся, но отличные друг от друга области применения. Правильный выбор в большей степени зависит от условий эксплуатации — температуры, концентрации хлоридов, кислой среды — чем от отрасли промышленности.
Заявки на поступление во 2-й класс
Марка 2 — это стандартный титан, используемый для:
- Оборудование для общехимической переработки в окислительных средах при умеренных температурах (при эксплуатации в хлоридной среде — ниже 80 °C)
- Судовой фурнитура — крепежные детали, трубы теплообменников, конденсаторы в системах охлаждения морской водой (температура окружающей среды до 60 °C)
- Медицинские изделия — имплантаты (4-й класс чаще применяется для имплантатов, подвергающихся высоким нагрузкам, а 2-й класс — для конструкций с низкими нагрузками)
- Ненесущие детали для аэрокосмической отрасли — смотровые люки, кронштейны, обтекатели
- Компоненты опреснительной установки при эксплуатации в условиях низких температур, когда можно регулировать форму щелей
- Работа с хлором и отбеливателем — титан хорошо пассивируется в среде влажного газообразного хлора и гипохлорита натрия
- Емкости для хранения азотной кислоты и другие окисляющие кислоты
Преимущества марки 2: самая низкая стоимость среди конструкционных марок титана, наибольшая доступность, наибольшая легкость в обработке, наибольшая осведомленность производителей.
Заявления на поступление в 12-й класс
12-й класс считается соответствующим, если выполняется одно или несколько из следующих условий:
- Эксплуатация в условиях горячего рассола при температуре выше 80 °C — нагреватели рассола для опреснения воды, испарители, оборудование для многоступенчатой дистилляции (MED)
- Геотермальные теплообменники — Уровень 12 признан подходящим для геотермальных жидкостей (Томас, Стэнфордский семинар по геотермальной энергетике)
- Оборудование для химических технологических процессов, работающее при повышенных температурах и давлении — особенно в тех случаях, когда соблюдение норм проектирования требует строительства более толстых стен 2-го класса, что не является экономически целесообразным
- Восстановительные или переменные окислительно-восстановительные условия — потоки с разбавленной HCl, переменные окислительно-восстановительные условия
- Насосы и клапаны в условиях эксплуатации в горячей среде с высоким содержанием хлоридов, когда существует риск щелевой коррозии корпуса насоса или седла клапана
- Трубы и фитинги при транспортировке химических веществ под высоким давлением (нормы ASTM B337 и B338 применимы к обоим случаям)
Система принятия решений
Воспользуйтесь этой таблицей при принятии решения о переходе из 2-го класса в 12-й:
| Состояние | Оценка «2» — это достаточно? | Рекомендуется ли 12-й класс? |
|---|---|---|
| Температура < 80 °C, среда с содержанием хлоридов | ✓ Как правило, да | Не требуется |
| Температура 80–240 °C, работа в хлоридной среде | Маргинальный — оценка риска образования щелей | ✓ Да |
| Температура > 240 °C, работа в среде с содержанием хлоридов | Нет | Рассмотрите варианты Gr7 или Gr16 (содержащие палладий) |
| Для обеспечения рабочего давления при повышенной температуре толщина стенки должна быть более 1″ | Проверить допустимые значения по ASME | ✓ Провести сравнение толщины |
| Кипячение разбавленной HCl < 0,1% | ✓ 2-я степень (пограничный случай) | ✓ Предпочтительно 12-й класс |
| Кипячение разбавленной HCl 0,1–2% | ✗ Не подходит | ✓ Работы учащихся 12-го класса |
| Кипячение разбавленной HCl > 2% | ✗ | Рассмотрим Gr7/Gr16 |
| Только в окислительной среде, при температуре окружающей среды | ✓ 2-й класс — идеальный вариант | Не требуется |
| Восстановительная среда (без окислителей) | Пограничное состояние | ✓ Предпочтительно 12-й класс |
| Переменные окислительно-восстановительные | Рискованный | ✓ Предпочтительно 12-й класс |
| Морская, низкотемпературная морская вода | ✓ 2-й класс | Не требуется |
| Геотермальные или гидротермальные жидкости | Оценить температуру | ✓ 12-й класс — с подтверждающими документами |
| Конструкция должна соответствовать требованиям стандарта ASME, >200°F | Проверить допустимые значения | ✓ Запустить сравнение |
| Услуга с ограниченным бюджетом, работающая в режиме фонового выполнения | ✓ Победы 2-го класса | Не требуется |
Когда инженеры переходят из 2-го класса в 12-й
На практике определение класса 12 обычно начинается не с обсуждения научных аспектов коррозии, а с анализа причин отказа.
В химической промышленности типичная ситуация выглядит следующим образом: теплообменник или корпус насоса класса 2 безупречно работает в течение многих лет, а затем на нем появляются локальные язвы или коррозия в щелях под прокладкой или за болтом — неизменно в зоне высоких температур. Остальное оборудование остается в порядке. В ходе расследования выясняется, что причиной отказа является конкретное сочетание температуры, концентрации хлоридов и геометрии щели, для которого марка 2 не рассчитана в данных условиях. Марка 12 рассматривается в качестве следующего шага перед переходом на более дорогие марки, содержащие палладий.
Что часто удивляет инженеров, впервые проводящих такую оценку, — это допустимые значения ASME. Изначально предполагается, что сталь класса 12 будет стоить дороже — ведь в пересчете на фунт это действительно так. Однако осознание того, что корпус из стали класса 12 можно спроектировать с меньшей толщиной стенок — и что общая стоимость установки может оказаться ниже при тех комбинациях давления и температуры, которые и послужили поводом для проведения оценки, — меняет экономические расчёты.
Я тщательно изучил техническое руководство Tricor Metals «MTI Connect 2020» по данной теме, и приведенные в нем данные представляют собой наиболее полное сравнение марок 2H и 12 в контексте химико-перерабатывающей промышленности из всех источников, с которыми я сталкивался в открытой литературе. Особенно поучительны приведенные ими примеры толщины стенок сосудов при 300°F/300 psi: для марки 2H требуется номинальная толщина листа 1-3/4″; для марки 12 она снижается до 1-1/4″. Расчет общей стоимости материала в данном сценарии показывает преимущество марки 12 перед маркой 2H примерно на 29%, даже без учета факторов, связанных со сроком службы в условиях коррозии.
Еще одна закономерность, заслуживающая внимания: производители, которые регулярно работают со сплавом 2-го класса и располагают отлаженными технологиями сварки титана, редко сталкиваются с существенными изменениями в технологическом процессе при переходе на сплав 12-го класса. Сплав ведет себя достаточно схоже, благодаря чему присадочный материал ERTi-12 и те же методы использования защитного газа можно применять напрямую. Утверждение о том, что сплав марки 12 “сложнее в обработке”, как правило, исходит от предприятий с ограниченным опытом работы с титаном в целом, а не от тех, кто в широких масштабах работал со сплавом марки 2.
Часто задаваемые вопросы
В чём заключается основное различие между титаном 2-го и 12-го сорта?
Марка 12 по сути представляет собой марку 2 с добавлением 0,8% никеля и 0,3% молибдена. Эти легирующие элементы повышают предел текучести (минимальное значение выше примерно на 25%), улучшают стойкость к щелевой коррозии в горячих хлоридных средах (марка 12 устойчива к щелевой коррозии при температуре до ~240 °C по сравнению с ~80 °C для марки 2) а также продлевают срок службы в средах с разбавленными восстановительными кислотами, такими как соляная кислота.
Титан 12-го класса прочнее, чем титан 2-го класса?
Да, значительно. Согласно стандарту ASTM B265, минимальное предельное сопротивление при разрыве (UTS) для марки 12 составляет 483 МПа (70 кси), тогда как для марки 2 — 345 МПа (50 кси), что на 40% выше. Типичные значения составляют 530–550 МПа против 420 МПа. Минимальные значения предела текучести составляют 345 МПа (марка 12) против 275 МПа (марка 2). Марка 2 сохраняет несколько более высокие показатели удлинения и уменьшения поперечного сечения, что делает её более пластичной для операций глубокой холодной штамповки.
Стоит ли обучение в 12-м классе дороже, чем в 2-м?
В пересчете на фунт — да, примерно на 13% больше (по данным Tricor Metals за 2020 год; текущие рыночные цены могут варьироваться). Однако более высокие расчетные допустимые значения по стандарту ASME для марки Grade 12 позволяют использовать более тонкие стенки сосудов при повышенных температурах и давлениях. В некоторых сценариях общая стоимость материалов для проекта при использовании марки Grade 12 оказывается на 21–29% ниже, несмотря на более высокую цену за единицу.
Какие стандарты ASTM распространяются на титан 12-го класса?
Марка 12 охватывается стандартами ASTM B265 (лента/лист/пластина, марка 12), ASTM B337 (бесшовные и сварные трубы, марка 12), ASTM B338 (трубы для теплообменников, марка 12), ASTM B348 (прутки и заготовки, класс 12) и ASTM B381 (поковки, F-12). Обозначение по системе UNS — R53400. Номер материала по стандартам DIN/EN — 3.7105.
Можно ли в существующих проектах напрямую заменить 2-й класс на 12-й класс?
В большинстве случаев марка Grade 12 представляет собой простую замену, которая обеспечивает повышение прочности и коррозионной стойкости. Для неё используются те же формы изделий по стандарту ASTM, совместимые сварочные присадочные материалы (ERTi-12 вместо ERTi-2) и аналогичные технологии изготовления. Проектировщикам следует убедиться, что при любом перепроектировании сосудов под давлением применяются более высокие допустимые значения по стандарту ASME, чтобы обеспечить экономическую выгоду. Сроки поставки материала могут быть более длительными, чем для марки Grade 2, из-за меньшей доступности на складе.
В каких случаях следует выбрать класс 7 или класс 16 вместо класса 12?
Палладиесодержащие марки (7, 11, 16, 17) представляют собой следующий уровень коррозионной стойкости по сравнению с маркой 12. Их следует использовать при рабочих температурах выше ~240 °C в хлоридных растворах, при концентрации HCl выше ~1% или в сильно восстановительных средах без окислителей. Компромиссом является значительно более высокая стоимость (палладий — дорогостоящий легирующий элемент). Если марка 12 соответствует требованиям к коррозионной стойкости в условиях вашей эксплуатации, она почти всегда является более экономичным выбором по сравнению с палладиесодержащими марками.
Почему марка 12 лучше подходит для защиты от щелевой коррозии, чем марка 2?
Никель стабилизирует пассивную пленку оксида титана (TiO₂) в условиях низкого содержания кислорода и кислой среды, характерных для щелевых геометрий при повышенных температурах. В марке 2 пленка разрушается в таких условиях при температуре выше ~80 °C в концентрированном растворе хлоридов. Добавление никеля в марке 12 обеспечивает стабильность пленки до ~240 °C при pH > 2. Молибден обеспечивает дополнительную защиту в восстановительных кислотных средах за счет отдельного механизма, аналогичного его роли в нержавеющей стали марки 316.
Резюме
Как только вы узнаете пороговые значения, принять основное решение не составит труда. Марка 2 является оптимальным выбором для большинства областей применения титана: эксплуатация в условиях коррозии при температурах от комнатной до умеренно высоких, общее химическое производство, морские конструкции, а также везде, где важна экономическая эффективность и условия эксплуатации не выходят за пределы допустимых значений. Он выпускается во всех формах, хорошо знаком производителям и обеспечивает превосходную коррозионную стойкость в пределах своих эксплуатационных характеристик.
Класс 12 соответствует техническим требованиям, когда эксплуатационные условия выходят за пределы, установленные для класса 2 в отношении щелевой коррозии — как правило, при температуре выше 80 °C в хлоридных средах — или когда при проектировании сосудов под давлением по стандарту ASME для работы при повышенных температурах преимущество более тонких стенок становится достаточно значительным, чтобы компенсировать более высокую удельную цену. Добавки 0,8% Ni и 0,3% Mo обеспечивают поддающееся количественной оценке и подтверждённое стандартами улучшение эксплуатационных характеристик, для оценки которого не требуется полагаться на догадки: таблицы допустимых значений ASME, кривые pH/температуры щелевой коррозии и расчёты толщины сосудов — всё это доступно, и эти данные неизменно свидетельствуют в пользу марки 12 в тех условиях, где она указана в технических требованиях.
Наиболее распространенной ошибкой инженеров является оценка двух марок исключительно на основе удельной стоимости материала. Сравнение затрат на уровне проекта, учитывающее допустимые напряжения по стандарту ASME и соответствующий расчет толщины стенки, зачастую приводит к тому, что преимущество марки 2 по стоимости при повышенных эксплуатационных условиях сменяется на обратное.
Если вы рассматриваете возможность перехода с класса 2 на класс 12, первые шаги заключаются в следующем: определите рабочую температуру, установите максимальные значения концентрации хлоридов и pH, проверьте наличие щелевых образований в конструкции и проведите сравнение с допустимыми значениями ASME для заданного давления. Во многих случаях эти данные позволят однозначно определить правильное решение.
