NÁVRH MATERIÁLU A TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ PRO VÝROBU VYSOKOTLAKÝCH LAHVÍ URČENÝCH PRO TECHNICKÉ PLYNY A CNG S VYSOKÝMI HODNOTAMI MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ

Pavel Kučera

Doctoral thesis

DESIGN OF A MATERIAL AND HEAT TREATMENT FOR THE PRODUCTION OF HIGH PRESSURE CYLINDERS INTENDED FOR TECHNICAL GASES AND CNG WITH HIGH VALUES OF MECHANICAL PROPERTIES

Abstract:

Vysokotlaké ocelové lahve jsou průmyslovým výrobkem, který zasahuje do velmi rozsáhlé škály oblastí lidského života. Tyto lahve jsou používány ve sféře industriálních plynů (svařování, inertizace), medicíny (léčebné účely, podpora dýchání, anestezie), transportu (CNG a H2) a dalších oblastech. V dnešní době je stale intenzivněji kladen důraz na veškeré parametry a užitné vlastnosti lahví, mezi které patří např. hmotnost, únavová životnost, korozní odolnost a mnoho jiných. Tyto charakteristiky jsou přímo spojeny také s enviromentálními aspekty, např. v oblasti industriálních a medicinálních plynů je tomu tak ve smyslu transportu většího množství plynu vs. menžího množství oceli reprezentovaného hmotní lahví a s tím spojené redukce výfukových plynů transportních automobilů. V oblasti transportu je to naopak. Všeobecný tlak na ekologizaci paliv (vývoj paliv alternativních, např. CNG a H2), přičemž u nádrží sloužících jako zásobníky zmiňovaných paliv je situace podobná, kdy lehčí lahve na palubě automobilů zajišťují delší dojezd na ekologické palivo a tím i zvýšenou redukci veškerých výfukových plynů. Výše uvedených, lepších užitných parametrů, primárně nižší hmotnosti, lze dosáhnout pomocí zvyšování hodnot mechanických vlastností, primárně Re (meze kluzu), Rm (mez pevnosti), avšak spolu se zachováním dostačujícíh hodnot KCV (vrubové houževnatosti) při - 50 °C, A (tažnosti) a s tím spojené mikrostrukturní homogenity. Předmětem studia bylo analyzování výše uvedených mechanických vlastností stávající oceli 34CrMo4 s označením NV (ocel mikrolegovaná dusíkem a vanadem) na lahvích z 10 taveb po 23 různých režimech TZ (tepelného zpracování) používané pro výrobu vysokotlakých ocelových lahví a následný návrh nového, upraveného chemického složení oceli 34CrMo4 s označením SP (ocel bez mikrolegování vanadem) na lahvích ze 2 taveb po 5 různých režimech TZ. Výsledky experimentů (porovnání dosažených mechanických vlastností, mikrostrukturních charakteristik, únavové odolnosti, odolnosti proti SSC a v neposlední řadě nákladovost) realizovaných na materiálu NV byly konfrontovány s výsledky experimentů provedených na materiálu SP. Výstupem práce byl návrh nového, nákladově výhodnějšího materiálu s označením 34CrMo4 SP a optimalizovaným TZ pro dosažení vysoké pevnosti (nad 1100 MPa), zároveň s velmi příhodnými hodnotami KCV a s tím spojené mikrostrukturní homogenity. Nově navržený materiál a jeho TZ zcela naplňují požadavky norem pro výrobu vysokotlakých bezešvých ocelových lahví, a navíc může sloužit také pro širokou škálu dalších vysokopevných aplikací, např. zalomené hřídele, železniční nápravy, hnací hřídele atd.

Abstract:

High pressure steel cylinders are an industrial product that reaches to wide range of human being. Those cylinders are being used in field of industrial gases (welding, inertisation), medical (medical treatment, respiratory support, anesthesia), transport (CNG and H2) and many others. Nowadays, the emphasis is put more and more on all their parameters and characteristics like weight, fatigue life, corrosion resistance and many more. Those characteristics are directly connected also with the environmental aspects, e.g. in field of an industrial and medical gases. It is about transporting more gas than more steel and reduction of exhaust gases that is directly connected with it. On the other hand, in the field of personal transportation, the pressure is put on the ecologisation of fuels (development of alternative fuels, e.g. CNG and H2), when the situation in case of tanks serving as an on-board storage of alternative fuels is the same from the point of view that the lighter storage tank ensures higher mileage on eco fuel, therefore also significant reduction of exhaust gases. The improvement of mentioned characteristics, primarily lower weight, mechanical properties have to be increased, mainly Re (yield strenth), Rm (tensile strength), however together with keeping sufficient values of CVN (notch toughness) at - 50 °C, A (elongation) and related microstructural homogeneity. The Ph.D. thesis is focused on analyzing of above mentioned mechanical properties of current 34CrMo4 steel marked NV (micro alloyed with nitrogen and vanadium) on 10 different heats after 23 different heat treatment (HT) modes used for production high pressure seamless steel cylinders and subsequent design of new, adjusted chemical composition of 34CrMo4 steel marked SP (steel without vanadium microalloying) on cylinders made of 2 different heats after 5 different HT modes. Results of experiments (comparison of achieved mechanical properties results, microstructural characteristics, fatigue behavior, SSC resistance and cost effectivity) carried out on material NV were confronted with results of experiments carried out on material SP. The outcome of this Ph.D. thesis is the newly design and cost-effective material 34CrMo4 SP and its optimized HT to achieve high values of Rm (over 1100 MPa) together with favorable CVN values and related microstructural homogeneity. Newly designed material and its HT absolutely fulfil related standards requirements for high pressure seamless steel cylinders and can also be used for a variety of high-strength applications, e.g. crancksahafts, railway axels, drive shafts etc.

Keywords

Vysokotlaké bezešvé ocelové lahve, ocel 34CrMo4, mechanické vlastnosti, mikrostruktura, SSC, únavové vlastnosti.

Keywords

High pressure seamless steel cylinders, 34CrMo4 steel, mechanical properties, microstructure, SSC, fatigue properties.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 9. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 4. 10. 2018
• Supervisor: Eva Mazancová
• Reader: Ladislav Kander, Stanislav Němeček, Otakar Bokůvka

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme:
Materiálové vědy a inženýrství