Kuinka Laves-faasin (Fe₂Mo) saosteen tilavuusosuus 650 asteessa 316 litran lämmittimen vaippaletkun säätimen virumisen repeämän sitkeysvähennys-pitkäaikaisen käytön aikana

Molybdeeni{0}}rikkaan intermetallifaasin vaikutus haurastumiseen

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (muovaava) -<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

Laves-vaiheen haurastumisen mekanismi

Laves-faasi (Fe2Mo) on kuusikulmainen tiiviisti pakattu (HCP) rakenne, jossa on runsaasti molybdeeniä (Mo 35–45 %) ja piitä (Si 3–5 %). Se saostuu ylikyllästyneestä austeniittimatriisista pitkäaikaisessa altistuksessa 550–700 asteessa. Saostumiskinetiikka on hidasta verrattuna chi-faasiin > 1 000-2 000 tuntia 650 °C:ssa merkittävien tilavuusosien saavuttamiseksi. Faasi on kova ja hauras, ja tällaisten faasien läsnäolo johtaa helpoihin murtumisreitteihin, varsinkin kun ne koristavat raerajoja. Toisin kuin chi- ja sigma-faasit, jotka myös vähentävät lujuutta, Laves-faasi pääasiassa haurauttaa materiaalia ja vähentää kykyä plastisesti muotoutua ennen repeämistä. Tämä on erityisen haitallista lämmittimen vaippoissa, koska tavanomaisena vikaoireena on virumisesta johtuva turpoaminen (halkaisijan kasvu). Laves-vaiheen haurastumisessa repeäminen voi tapahtua nopeasti ilman ilmeistä edeltävää muodonmuutosta.

Kvantitatiivinen korrelaatio Laves-faasin tilavuusosuuden ja repeämän sitkeyden välillä 650 asteessa

316 litran letkun (2,2 painoprosenttia Mo, 0,02 painoprosenttia C, 0,08 painoprosenttia N) hallittu vanheneminen 650 asteessa 20 000 tuntiin asti, jota seurasi virumismurtumistestaus 650 asteessa ja 80 MPa:ssa, on osoittanut seuraavan Laves-faasin saostumishäviön ja saostumiskineettisen kinettiksen.

Vanhentamisaika (tunti) 650 astetta Laves-vaiheen tilavuusosuus (%) Laves-faasin hiukkaskoko (nm) sadekohdan virumisen repeämän venymä 650 asteessa (%) repeämätila Suositeltu huoltoon, joka vaatii taipuisuutta (korkea varoitus ennen epäonnistumista)
0 (hehkutettu) 0 N/A Ei mitään 20-30 Muovattava (transgranulaarinen) Kyllä 1 000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 Laaja<2 Extremely brittle No 
Molybdeenipitoisuuden vaikutus Laves-saostumisen kinetiikkaan

Laves-faasin saostumisnopeus on verrannollinen molybdeenin pitoisuuteen. Alempi Mo (2,0–2,2 %) kestää hyvin Laves-haurastumista.

Molybdeenipitoisuus (paino-%) Aika 1,0 %:iin Laves 650 asteessa (tuntia) Virumisen repeämän venymä 10 000 tunnin jälkeen 650 asteessa (%) Suositeltu maksimikäyttölämpötila 10 000 tunnin käyttöikä Teräksen lämpötila-alue Lämpötila-alue Lämpötila-alue 2,0 astetta (tuntia) (.29) 316L) 4000-6000 4-6 630 astetta 2.4 2500-4000 3-5 620 astetta 2,5 (max 316L) 1500-3000 2-4 610 astetta 2,8 (lähes 317L) 800-1500 1-3 600 astetta Käytännön suosituksia 316L lämmittimen vaippaille 650 asteen huoltoon

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
Laves-vaiheen varmistus ja sitkeys pienenevät

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20% asti<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

Johtopäätös: Estä Lavesin haurastuminen rajoittamalla Mo:n sisältöä ja palveluehtoja.

316 litran ruostumattomasta teräksestä valmistettujen lämmittimien 650 asteessa toimivien Laves-faasi (Fe2Mo) saostuu 2 000-6 000 tunnin kuluttua ja saavuttaa 0,6-1,5 % tilavuusosuuden 5 000-10 000 tunnin kuluttua. Näillä tasoilla virumismurtuman sitkeys laskee > 20 %:sta 5-8 %:iin. Tämä johtaa hauraaseen rikkoutumiseen (äkillinen repeämä ilman edeltävää) sitkeyden epäonnistumisen sijaan (näkyvä turpoamisvaroitus). 316 litran vaippojen käyttöikä on rajoitettu<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10 000 h 650 asteessa, harkitse päivittämistä 347:ään (niobiumastabiloitu eikä tuota Laves-faasia) tai 310 ruostumattomaan teräkseen. Tässä annettu kehys liittyy Lavesin faasitilavuusosuuteen virumismurtuman sitkeyden pienenemiseen 650 asteessa ja antaa asiakkaille mahdollisuuden määrittää materiaalin kemian ja maksimikäyttöajat, jotka estävät hauraan vian pitkäaikaisessa korkean lämpötilan lämmittimen huollossa.