Srovnání stabilizovaného stupně nerezové oceli 321 vs. 347 pro služby při vysokých-teplotách - Znalosti

Když jsou austenitické nerezové oceli (např. 304 nebo 316) vystaveny teplotám mezi425 stupňů a 870 stupňůpo delší dobu se karbidy chrómu srážejí na hranicích zrn - fenomén zvanýsenzibilizace. To ochuzuje oblasti na hranicích zrn o chrom a ničí odolnost proti korozi.

Stabilizované třídy tento problém řešípřidáním silného karbidotvorného prvku (titan v 321, niob v 347), který „uzamkne“ uhlík před tím, než se mohou tvořit karbidy chrómu. Výsledek: materiál si zachovává odolnost proti korozi i po svařování nebo dlouhodobém vystavení vysokým teplotám.

Představte si to takto: pokud je 304 obyčejný zámek, 321 a 347 jsou zámky s extra závorou, která se nezasekne ani po letech používání.

321 vs 347 Stainless Steel

Proč srovnávat 321 a 347 konkrétně?Oba jsou austenitické stabilizované třídy specifikované v ASME, oddíl VIII, ASTM A240 a EN 10088. Jsou to dvě nejběžnější volby pro vysokoteplotní provoz v rafineriích, petrochemických závodech, elektrárnách a výfukových systémech letadel. Přesto se liší jemnými, ale kritickými způsoby, které ovlivňují náklady na materiál, spolehlivost svarů a dlouhodobou integritu.

Sečteno a podtrženo -Pokud vaše zařízení pracuje pod úhlem nad 500 stupňů a bude svařováno v terénu, je volba mezi 321 a 347 jedním z nejdůslednějších materiálových rozhodnutí, které učiníte.

Obě třídy jsou postaveny na stejném základu 18‑Cr / 10‑Ni jako 304. Klíčovým rozdílem jestabilizační prvek: 321 používá titan (Ti); 347 používá niob (Nb, nazývaný také kolumbium).

Tabulka:Tabulka 1 - Porovnání chemického složení (Zdroj: ASTM A240 / A240M‑24)

Prvek (hmotn. %)	321/321H (UNS S32100)	347/347H (UNS S34700)	Význam
uhlík (C)	Menší nebo rovno 0,08 (H: 0,04–0,10)	Menší nebo rovno 0,08 (H: 0,04–0,10)	Vyšší C=vyšší pevnost při tečení
Chrom (Cr)	17.0–19.0	17.0–19.0	Odolnost proti korozi + oxidaci
nikl (Ni)	9.0–12.0	9.0–13.0	Stabilita austenitu + houževnatost
titan (Ti)	Větší nebo rovno 5×C (min 0,20)	-	Stabilizátor (pouze 321)
niob (Nb)	-	Větší nebo rovno 10×C (min 0,32)	Stabilizátor (pouze 347)
mangan (Mn)	Menší nebo rovno 2,00	Menší nebo rovno 2,00	Deoxidátor
křemík (Si)	Menší nebo rovno 0,75	Menší nebo rovno 0,75	Vysoká teplota oxidace
fosfor (P)	Menší nebo rovno 0,045	Menší nebo rovno 0,045	Nečistota (udržujte nízkou)
síra (S)	Menší nebo rovno 0,030	Menší nebo rovno 0,030	Nečistota (udržujte nízkou)
dusík (N)	Menší nebo rovno 0,10	Menší nebo rovno 0,10	Posiluje, ale opravuje C

Zdroj: ASTM A240 / A240M‑24: Standardní specifikace pro chromové a chrom-niklové nerezové plechy, plechy a pásy pro tlakové nádoby a pro obecné aplikace.

Proč Ti nebo Nb - a ne jen „nízkouhlíkové“?

You might ask: "Why not just use 304L (extra‑low carbon)?" The answer: at high temperatures (>500 stupňů), dokonce i 304L se při dlouhodobém provozu nakonec senzibilizuje.Stabilizace je trvalá.Ti a Nb tvoří karbidy, které jsou stabilnější než karbidy chrómu, takže uhlík není nikdy k dispozici pro reakci s chrómem.

Titan vs. niob

Titan (v 321)je levnějšía o něco snadněji se obrábí. niob (v 347)je stabilnější ve svarovém oblouku(ne"spaluje") a tvoří teplotně stabilnější karbidy, které odolávají "přestárnutí" během dlouhého provozu.

Klíčové s sebou -Nb v 347 tvoří NbC (karbid niobu), který zůstává jemně rozptýlený až do ~900 stupňů. TiC v 321 se může při přehřátí rozpustit a znovu vysrážet jako karbid chrómu -, což je jemné, ale reálné riziko při dlouhodobém provozu nad 650 stupňů.

Vlastnosti 321 a 347 při pokojové teplotě jsou totožné, protože jejich základní matrice je stejný austenit 18‑Cr / 10‑Ni. Stabilizační prvky (Ti, Nb) mají při okolní teplotě minimální vliv.

Tabulka:Tabulka 2 - Mechanické vlastnosti při pokojové teplotě (Zdroj: ASTM A240‑24; Outokumpu 2024)

Vlastnictví	321 (žíhaný)	347 (žíhaný)	Testovací standard
Pevnost v tahu (MPa)	515–730	515–655	ASTM A240
Mez kluzu @ 0,2 % (MPa)	Větší nebo rovno 205	Větší nebo rovno 205	ASTM A240
Prodloužení v 50 mm (%)	Větší nebo rovno 40	Větší nebo rovno 40	ASTM A240
Tvrdost (Brinell, HB)	Menší nebo rovno 217	Menší nebo rovno 217	ASTM A240
Tvrdost (Rockwell B)	Menší nebo rovno 95	Menší nebo rovno 95	ASTM E18
Rázová houževnatost @ -196 stupňů (J)	Větší nebo rovno 32	Větší nebo rovno 32	ASTM A370
Elastický modul (GPa)	193	193	-
Poissonův poměr	0.29	0.29	-

Zdroj: Outokumpu: Stainless Steel Handbook - Vlastnosti při zvýšených teplotách (2024).

Co to znamená pro design:Pro potrubí nebo zařízení s okolní teplotou jsou 321 a 347 mechanicky zaměnitelné. Na výběru záleží pouze tehdy, když teplota překročí ~400 stupňů nebo je vyžadováno svařování.

Toto je nejdůležitější část tohoto článku.Před výběrem materiálu pro jakékoli vysokoteplotní aplikace si jej pečlivě přečtěte.

Oba druhy tvoří na vzduchu ochrannou stupnici Cr₂O₃ až do ~870 stupňů. Nad tím dochází k odlupování vodního kamene a zrychlení oxidace.347 má mírný okrajprotože mikrostruktura stabilizovaná Nb je po dlouhé expozici odolnější vůči oxidaci na hranicích zrn.

Tabulka:Tabulka 3 - Pokyny pro vysokoteplotní oxidaci (Zdroj: Nickel Institute Publication 9004; ATI 321/347 Datasheet 2025)

Teplota (stupně)	321 - Míra oxidace	347 - Míra oxidace	Doporučení
Menší nebo rovno 650	Zanedbatelný	Zanedbatelný	Buď stupeň
650–800	< 0.1 mm/year	< 0.1 mm/year	Buď stupeň
800–900	0,1–0,5 mm/rok	0,08–0,4 mm/rok	347 preferred for >10letá životnost
900–950	>0,5 mm/rok (lokalizováno)	0,4–0,6 mm/rok	pouze 347; omezit na<5 years
> 950	Nedoporučuje se	Nedoporučuje se	Použijte 310S nebo RA253MA

Zdroj: Nickel Institute: High-Temperature Characteristics of Stainless Steels (Publikace 9004, 2023). Technický list ATI (Allegheny Technologies) 321/347/348 (2025).

Creep jetichý zabijákvysokoteplotního zařízení: trubka, která funguje pouze na 40 % své meze kluzu při pokojové teplotě, může stále prasknout po 100 000 hodinách (≈11,4 let) kvůli tečení.

Analogie pro studenty středních škol: tečení je jako plastové pravítko, které se nechá přes noc ohnout nad stolem -, nepraskne, ale nikdy se nevrátí do rovné polohy. Při vysokých teplotách dělá kov totéž, ale při zatížení.

Tabulka:Tabulka 4 - Povolené napětí ASME a odhadovaná mez pevnosti při tečení 100 000 hodin (Zdroj: ASME Section II‑D 2023; data o tečení na tubingchina.com 2024)

Temp.	Designový stres (321)	Designový stres (347)	Napětí při prasknutí 100 000 hodin (321)	Napětí při prasknutí 100 000 hodin (347)
500 stupňů (932 stupňů F)	117 MPa	117 MPa	~95 MPa	~100 MPa
550 stupňů (1022 stupňů F)	105 MPa	107 MPa	~65 MPa	~72 MPa
600 stupňů (1112 stupňů F)	52 MPa	55 MPa	~38 MPa	~44 MPa
650 stupňů (1202 stupňů F)	32 MPa	35 MPa	~20 MPa	~25 MPa
700 stupňů (1292 stupňů F)	18 MPa	21 MPa	~10 MPa	~13 MPa
750 stupňů (1382 stupňů F)	10 MPa	12 MPa	~ 5 MPa	~ 7 MPa

Zdroj: ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section II‑D (vydání 2023). Křivky tečení: TubingChina.com - TP321/347 Mechanical Properties (2024).

Záludný závěr -Při 600-700 stupních,ocel 347 poskytuje o 10–20 % vyšší dovolené napětí než 321 podle kódu ASME. U nové konvekční sekce pece navržené pro 20letou životnost to může snížit tloušťku stěny trubky o ~1–2 mm -, čímž se šetří hmotnost a náklady.

Dlouhé vystavení austenitických nerezových ocelí teplotě 500–850 stupňů může vysrážetfáze sigma(tvrdá, křehká intermetalická látka). 321 obecně jeméně náchylnéto sigma formation because Ti restricts chromium mobility. 347, with higher Cr and Nb, has a slightly higher risk - but this is only a concern for very long exposures (>50 000 h) nad 650 stupňů .

Tabulka:Tabulka 5 - Porovnání rizik tepelného stárnutí (Zdroj: NACE MR0103; ASM Handbook Vol. 13C 2023)

Rizikový faktor	321	347	Zmírnění
Sigma fáze (650 stupňů, 10 000 h)	Nízký	Mírný	Kontrola %Ni < 11; použijte 321H
Carbide coarsening (>700 stupňů)	Mírný	Nízký	Použijte stabilizovanou třídu H
Rázová houževnatost po stárnutí	Lépe zachováno	Mírně nižší	Zadejte Charpyho testování

Zdroj: NACE MR0103/ISO 15156 - Kovy pro použití v prostředích obsahujících H₂S. Příručka ASM, svazek. 13C: Koroze ve specifických odvětvích (2023).

Pokud si z tohoto článku pamatujete pouze jednu věc, pamatujte si toto:321 je těžší svařit správně než 347 - ne proto, že základní kov je obtížný, ale proto,titan se přes svařovací oblouk nepřenáší.

Problém vyhoření titanu

Když svaříte 321 s výplní Ti-ložisek (ER321), ztratí se v oblouku až 50–70 % titanu.Výsledek:svarový návar již není správně stabilizován a tepelně ovlivněná zóna (HAZ) může být během provozu senzibilizována.

Analogie: je to jako zkoušet natírat plot během bouřky - titan se „smyje“, než stihne svou práci.

Doporučený postup svařování -I když je základní kov 321, VĚTŠINA VÝROBCŮ POUŽÍVÁ VÝPLŇOVÝ KOV ER347 (s niobovým ložiskem). Nb v ER347 dokonale stabilizuje jak 321, tak 347 obecné kovy. Sekce IX API 582 a ASME BPVC tuto praxi schvalují.

Souhrn spotřebního materiálu pro svařování

Tabulka:Tabulka 6 - Výběr spotřebního materiálu pro svařování (Zdroj: AWS A5.4 / A5.9; API 582 2024)

Základní kov	Doporučená výplň (SMAW)	Doporučená výplň (GTAW/GMAW)	Proč
321	E347‑XX	ER347	Ti shoří; Nb stabilizuje svar
321H	E347‑XX	ER347	Stejný důvod; Třída H pro tečení
347	E347‑XX	ER347	Nb přenáší perfektně
347H	E347‑XX	ER347	Třída H pro vysoké teploty. pevnost
321 svařeno na 347	E347‑XX	ER347	Společný jmenovatel=Pozn

Tepelné zpracování po svařování (PWHT)

Ani 321, ani 347vyžaduje PWHT to restore corrosion resistance (that's the whole point of stabilization). However, stress‑relief PWHT may still be needed for: • Thick‑walled pressure vessels (ASME requires it >38 mm s určitými výjimkami) • Zařízení v provozu s žíravinou nebo kyselinou polythionovou • Kryogenní provoz (pro zajištění houževnatosti)

Tabulka:Tabulka 7 - Pokyny pro PWHT (Zdroj: ASME BPVC Section VIII Div.1 UCS-56)

Stav	321 PWHT	347 PWHT	Poznámka
Po svařování (pole)	Není vyžadováno	Není vyžadováno	Stabilizované stupně
Úleva od stresu (ASME VIII)	600–700 stupňů, 1 h/palec	600–700 stupňů, 1 h/palec	Volitelné pro korozi
Riziko senzibilizace z PWHT	Nízký	Spodní	347 shovívavější

321 a 347 mají téměř totožné fyzikální vlastnosti, protože jejich základní složení je stejné. Malé rozdíly pocházejí z atomové hmotnosti Ti vs. Nb.

Tabulka:Tabulka 8 - Porovnání fyzikálních vlastností (Zdroj: ASM Handbook Vol. 1; Outokumpu 2024)

Vlastnictví	321	347	Proč na tom záleží
Hustota (kg/m³)	7930	7960	Výpočty hmotnosti
Tepelná roztažnost (μm/m· stupeň, 0–500 stupňů)	16.5	16.5	Namáhání potrubí tepelným růstem
Tepelná vodivost (W/m·K, 100 stupňů)	16.3	16.3	Zařízení pro přenos tepla
Tepelná vodivost (W/m·K, 500 stupňů)	21.5	21.5	-
Elektrický odpor (μΩ·m, 20 stupňů)	0.72	0.73	-
Magnetický?	Ne (austenitické)	Ne (austenitické)	Kontrola PM sledovače
Rozsah tání (stupeň)	1400–1425	1400–1425	Předehřev svařování

Obě třídy odolávají většině korozivních médií, stejně jako 304. Stabilizace hlavně chránímezikrystalová koroze(IGC) po svařování. Zde je jejich srovnání v konkrétních prostředích.

Tabulka:Tabulka 9 - Odolnost proti korozi ve vybraných prostředích (Zdroj: NACE MR0103; Tabulky koroze Outokumpu 2024)

Prostředí	321	347	Vítěz
Mezikrystalová koroze (svařovaná)	dobrý (Ti)	Lepší (Nb)	347
Kyselina polythionová (odstávky rafinérií)	Přijatelný	Vynikající	347 (API 571)
Chlorid SCC (méně než nebo rovný 60 stupňům)	Odolává	Odolává	Oba (stejně jako 304)
Chloride SCC (>60 stupňů)	Chudý	Chudý	Použijte 2205 duplex
Kyselina dusičná (HNO3)	Vynikající	Vynikající	Obě
Kyselina sírová (H2SO4, zředěná)	Veletrh	Veletrh	Použijte slitinu 20
žíravina (NaOH, < 50 %)	Dobré na 250 stupňů	Dobré na 250 stupňů	Obě
Atmosférická koroze	Dobrý	Dobrý	Obě

Korozní praskání kyselinou polythionovou (PASCC)

Když je rafinérský hydroprocesor odstaven a vystaven působení vzduchu, sloučeniny síry na povrchu oceli reagují s vlhkostí za vznikupolythionová kyselina(H2S406). Tato kyselina způsobuje rychlé mezikrystalové praskání u citlivých nerezových ocelí.

API 571 (mechanismy poškození)výslovně podporuje 347 (nikoli 321) pro tuto službu. Stabilizace Nb poskytuje spolehlivější odolnost vůči PASCC během odstávek.

Doporučení pro rafinerii -Pokud vaše zařízení uvidí službu hydrozpracování, reformování nebo hydrokrakování, - URČTE 347 (nebo 347H). Použití 321 zde je přijatelná, ale riskantnější alternativa.

Tabulka:Tabulka 12 - Srovnání nákladů (reference trhu z roku 2025, zdroj bývalých závodů v Číně) (Zdroj: interní nákladový benchmark JN Alloy 2025; ceník Sandmeyer Steel 2025)

Nákladový prvek	321	347	Rozdíl
Základní materiál (deska, $/kg)	$3.20–3.80	$3.50–4.20	347 +9–10%
Bezešvé potrubí 4" Sch 40 ($/m)	$85–105	$95–120	347 +12%
Svařovaná trubka ($/m)	$55–70	$62–78	347 +10%
Svařovací materiál ($/kg)	ER347: 18–22 USD	ER347: 18–22 USD	Stejné (použijte ER347)
Cena obrábění (index)	100 (základní hodnota)	105–110	347 o něco těžší
Montážní práce	Stejný	Stejný	-
Očekávané prodloužení životnosti (roky)	-	+3 až +8 r	Vysoká teplota servis
Riziko neplánovaného vypnutí	Mírný	Nízký	347 nižší riziko

Statistiky nákladů životního cyklu (LCC).

Pro typický projekt ohřívače rafinérie (500 m 6" trubky, 650 stupňů): •321 materiálnáklady: ~68 000 $ • 347 materiálové náklady: ~ 76 000 $ (+ 8 000 $) • Riziko neplánovaného odstavení s 321: odhadem 2–5 milionů $ na událost • Snížení pravděpodobnosti s 347: ~60–80 % →Očekávaná hodnota použití investice ve výši 347=8 000 USD oproti snížení rizika o 1,2–4 miliony USD.

Odhad ceny -Cena za materiál za 347 je zanedbatelná ve srovnání s finančním rizikem selhání. Pro jakýkoli projekt, kde náklady na prostoje přesahují 100 000 USD, je ekonomicky racionální volba 347 - nikoli 321.

A: Pro nesvařované aplikace při okolní teplotě - ano.Pro jakoukoli vysokoteplotní nebo svařovanou aplikaci - ne. 347 poskytuje lepší pevnost při tečení a stabilitu svaru-HAZ. Konkrétní návrhovou teplotu vždy konzultujte s ASME B31.3 nebo Sekcí VIII.

Otázka 2: Proč výrobci vždy doporučují výplň ER347 i pro 321?

A: Protože titan se přes svařovací oblouk nepřenáší spolehlivě.Ti shoří a svar zůstane nestabilizovaný. ER347 (niobové ložisko) dokonale přenáší a stabilizuje jak 321, tak 347 obecné kovy. Jedná se o standardní průmyslovou praxi (AWS A5.4).

Q3: Jaká je maximální provozní teplota pro 321 a 347?

A: Přerušovaná služba:až 870 stupňů (321) / 900 stupňů (347).Nepřetržitý servis:limit to 750°C for long design life (>20 let). Nad 800 stupňů zvažte použití 310S nebo RA253MA (vysokoteplotní slitiny).

Q4: Je 347 vždy lepší než 321 pro vysokoteplotní provoz?

A: Žádný.Pro letecké výfukové plyny (cyklické 400–750 stupňů, řízené vibracemi) je často preferován 321, protože se snáze tvaruje, obrábí a je o ~0,4 % lehčí. Pro rafinerii / petrochemii (stále 600–800 stupňů) je lepší 347.

Q5: Co znamená stupeň "H" (321H / 347H)?

A: "H"=Vysoký obsah uhlíku(0,04–0,10 %, vs. méně než nebo rovno 0,08 % pro non-H stupeň). Vyšší uhlík zvyšuje pevnost při tečení při vysokých teplotách. Pro jakoukoli službu nad 550 stupňů,vždy specifikujte třídu H(321H nebo 347H).

Q6: Lze 321 nebo 347 používat v prostředích obsahujících chloridy při vysoké teplotě?

A: Žádný.Stejně jako všechny austenitické oceli řady 300 jsou i oceli 321 a 347 náchylné k chloridovému koroznímu praskání (Cl-SCC) nad ~60 stupňů. Pro vysokoteplotní provoz s obsahem chloridů použijte duplex 2205 nebo superaustenitický 254 SMO.

Q7: Přijímá ASME 347 pro konstrukci tlakových nádob?

A: Ano.347 a 347H jsou uvedeny v ASME sekci II-D s povoleným napětím do 900 stupňů F (482 stupňů) as extrapolací až do ~1200 stupňů F (650 stupňů). Návrhové tabulky sekce VIII Div.1 zahrnují oba stupně.

Q8: Jak zjistím, zda je kus trubky v poli 321 nebo 347?

A: PMI (pozitivní identifikace materiálu)použití rentgenové fluorescence (XRF) je jedinou spolehlivou metodou. Ti (titan) je jasně detekovatelný XRF. Nb (niob) je také detekovatelný, ale může vyžadovat citlivější přístroj. Vizuální identifikace není možná - oba stupně vypadají stejně.