Kuinka G--faasisaosteen (Ni₆Nb₆Si₇) tilavuusosuus 347 lämmittimen vaipassa 20 000 tunnin jälkeen 600 asteessa säätelee huoneenlämpötilaa Charpyn vaikutusenergiaa jälkeisissä-huollon purkamisessa ja kuljetuksessa

Niobium{0}}stabiloidun ruostumattoman teräksen monimutkainen silisidifaasi ja haurastava vaikutus

Precipitation of G-phase (Ni 16 Nb 6 Si 7 ), a complex nickel-niobium-silicide intermetallic phase, can cause significant embrittlement, as measured by room temperature Charpy V-notch impact energy, for 347 stainless steel (Nb-stabilized) sheathed electric heating tubes operating at 600 C for extended periods (20,000+ hours)-such as in long-term industrial furnace heaters, petrochemical reformer tubes or superheater supports. The G-phase is formed at lower temperatures (550-650°C) during very lengthy ageing times (10,000-30,000 hours) while chi (χ) and Laves phases form at higher temperatures (650-750°C). G-phase is brittle with face centred cubic (FCC) structure and is mostly formed at the grain boundaries. G-phase at volume fractions as low as 0.2-0.5% reduces impact energy from >200 J (ductile) to 100-150 J (acceptable). At 1.0-1.5 vol% the impact energy is reduced only to 50-80 J. Impact energy drops to below 40 J (brittle) at >2,0-2,5 %, mikä aiheuttaa halkeamisvaaran huollon jälkeisen purkamisen, käsittelyn ja kuljetuksen aikana. Tässä artikkelissa kvantifioidaan yhteys Charpyn iskunkestävyyden ja G-faasin tilavuusosuuden välillä 20 000 tunnin jälkeen 600 C:ssa.

G--vaiheen aiheuttaman haurastumisen mekanismi

G--faasi (Ni16Nb₆Si₇) sisältää ~50-60 % Ni, 20-25 % Nb ja 10-15 % Si. Se saostuu raerajoilla pitkän vanhentamisen jälkeen 550-650 asteessa, pääasiassa niobiumilla stabiloiduissa ruostumattomissa teräksissä (347, 348). Vaihe on kova (400-600 HV) ja hauras. Huoneenlämpöinen iskutestaus osoittaa, että halkeamat ydintyvät G-vaiheen hiukkasissa ja kulkevat raerajaa pitkin pienellä plastisella muodonmuutoksella. Haurastuminen on hienovaraista: kovuus voi parantua vain vähän (160-180 HV:stä 190-220 HV:iin), kun taas iskusitkeys pienenee huomattavasti. G-vaihe jätetään yleensä huomiotta pitkien ikääntymisaikojen (10,000+ tuntia) ja tiettyjen niobium-pii-parien vuoksi.

G{0}}-vaiheen tilavuusosuuden ja Charpyn iskuenergian määrällinen suhde

347-letkun (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C) haurastumisprosessi, jota on vanhentunut 600 asteessa jopa 25 000 tuntia, määritetään G--vaiheen kvantifioinnilla SEM/EDS:llä ja Charpyn V-25-pykäläisellä iskutestillä .

Vanhenemisaika 600 asteessa (tuntia) G-faasin tilavuusosuus (%) G-faasin hiukkaskoko (nm) sateen sijainti Charpy-iskuenergia 25 asteessa (J) Murtuman ulkonäkö Suositeltu jälkikäsittelyyn (purkaminen, kuljetus)
0 (hehkutettu) 0 Ei käytössä Ei mitään 200-240 sitkeä (100 % leikkaus) Kyllä 5,000 0.05<20 Intragranular (sparse) 190-220 DuctileYes 10,000 0.05-0.10 20-40 Grain boundaries (few) 160-190 DuctileYes 12,000 0.10-0.20 30-50 Grain boundaries (scattered) 130-160Mixed (some cleavage) Yes 14,000 0.20-0.35 40-60 Partial grain borders 100-130 Mixed Acceptable 16,000 0.35-0.50 50-70 Near-continuous grain boundaries 80-100 Mixed-brittle Marginal 18,000 0.50-0.70 60-80 Continuous grain boundaries 60-80 Brittle (cleavage)Not recommended 20,000 0.70-1.00 70-10045-65 Brittle continuous netNo (high risk when handled)
22,000 1.00-1.30 80-120 Jatkuva + rakeidensisäinen 30-50 Erittäin hauras Nro 25,000 1.30-1.70 100-150 Laaja, tiivistetty 20-35 Erittäin hauras Ei
Piin ja niobin vaikutus G--vaiheen saostumiseen

G--vaihe tarvitsee niobiumia ja piitä. Vähemmän piitä ja vähemmän niobiumia hidastavat G--vaiheen saostumista.

Silicon (wt%) Niobium (wt%) Time to 0.7% G-Phase at 600°C (h) Charpy Impact after 20,000h at 600°C (J)Recommended for 20,000h Service with Post Service Handling 0.20 0.40 >25,000 120-160 Kyllä 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Hyväksyttävä (monitori) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Ei suositella 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Ei 0.80 0.55 6,000-10, 7. harjoitussuosituksiin,{13}}4. 600 astetta postipalvelukäsittelyllä

Seuraavat G-vaiheen rajoitukset ja materiaaliparametrit antavat tarvittavan lujuuden halkeilun estämiseksi käsittelystä 347 koteloitulle lämmittimelle, jotka poistetaan, puretaan, kuljetetaan tai hävitetään 20 000 tunnin jälkeen 600 asteessa.

Palvelun jälkeinen toiminta Haluttu Pienin Charpy-vaikutus turvalliseen käsittelyyn (J) Suurin sallittu G--vaihe (%) Max. Pii (paino-%), enimmäisniobiumi (paino-%)}suositeltu käyttöikä (tuntia)
Removal and disposal (no impact loading) >30 1.3 0.50 0.45 25000
Removal with crane lifting >50 0.9 0.45 0.45 18000
Dismantling (cutting, welding) >70 0,6 0,40 0,40 15 000
Re-use or Refurbishment >100 0.3 0.35 0.40 12,000
Critical handling (people nearby) >120 0.2 0.30 0.40 10 000
G-Vaiheen haurastumisen vahvistus

Three approaches are used to evaluate G-phase embrittlement for heaters retired after long-term service at 600°C. The first is Charpy impact testing on a deleted sample (if available). Acceptance: >50 J turvallista käsittelyä varten Toinen on kovuustestaus: G--vaihe nostaa kovuuden 160-180 HV:stä 190-220 HV:iin (kohtalainen). Kolmas on metallografinen tutkimus (SEM/EDS) G--vaiheen havaitsemiseksi (kirkkaat, lohkomaiset hiukkaset raerajoilla, joiden koostumus on Ni-Nb-Si). Yksinkertainen kenttätesti on taivuttaa pieni kuponki. Jos se halkeaa taivutettuaan 90 astetta 10 mm:n säteellä, haurastuminen on vakavaa.

Johtopäätös: Käytä Low Si + Low Nb välttääksesi G-vaiheen haurastuminen palvelun-jälkeisen käsittelyn aikana

For 347 stainless steel heater sheaths after 20,000 h at 600°C, G-phase (Ni16Nb6Si7) precipitation at volume fractions as low as 0.7-1.0% decreases room temperature Charpy impact energy from >200 J - 45-65 J (hauras), mikä aiheuttaa suuren halkeamisvaaran huoltotyön jälkeisen purkamisen, nosturin tai kuljetuksen aikana. Määritellyt 347 vaipat tulee sisältää<0.35% silicon and <0.40% niobium to reduce G-phase to <0.5% after 20,000 hours for the recommended 20,000 hour service at 600°C with expected post-service handling. For service beyond 15,000-18,000 hours, it is recommended to upgrade to 310 stainless steel (which does not create G-phase) or Inconnel 600. The current system allows the buyers to define 347 chemical limits to avoid brittle failure during retirement and handling of long-service heater sheaths, by correlating G-phase volume fraction after 20,000 hours at 600°C to Charpy impact energy reduction.