Cum controlează fracția de volum a precipitației fazei G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) în mantaua încălzitorului 347 după 20.000 de ore la 600 de grade, temperatura camerei, energia de impact Charpy pentru dezmembrarea și transportul post-serviciu

Faza complexă de siliciu și efectul de fript al oțelului inoxidabil stabilizat cu niobiu{0}

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%, prezentând un risc de fisurare în timpul demontării, manipulării și expedierii după service. Acest articol cuantifică legătura dintre rezistența la impact Charpy și fracția de volum a fazei G după 20.000 de ore la 600 C.

Mecanismul fragilizării induse de faza G-

Faza G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) include ~50-60% Ni, 20-25% Nb și 10-15% Si în greutate. Precipită la granițele granulelor după îmbătrânire îndelungată la 550-650 de grade, în principal în oțelurile inoxidabile stabilizate cu niobiu (347, 348). Faza este dură (400-600 HV) și fragilă. Testele de impact la temperatura camerei arată că fisurile se nucleează la particulele din faza G și călătoresc de-a lungul granițelor de cereale cu o mică deformare plastică. Fragilarea este subtilă: duritatea se poate îmbunătăți doar marginal (de la 160-180 HV la 190-220 HV), în timp ce duritatea la impact se reduce considerabil. Faza G este în mod obișnuit ignorată din cauza duratelor de îmbătrânire extinse (10,000+ ore) și a perechilor speciale niobiu-siliciu.

Relația cuantificată între fracția de volum de fază G-și energia de impact Charpy

Procesul de fragilizare a tubului 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) îmbătrânit la 600 de grade timp de până la 25.000 de ore este determinat prin cuantificarea fazei G cu SEM/EDS și testarea de impact Charpy V-notch la 25°.

Timp de îmbătrânire la 600 de grade (ore) G-Fracție de volum de fază (%)G-Dimensiunea particulelor de fază (nm) Locația precipitațiilor Energie de impact Charpy la 25 de grade (J) Aspectul fracturii Recomandat pentru manipularea post-de service (demontare, transport)
0 (recoacet) 0 N/A Niciunul 200-240 Ductil (100% forfecare) Da 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 Continuu + intragranular 30-50 Foarte fragil Nu 25,000 1.30-1.70 100-150 Extens, consolidat 20-35 Extrem de fragil Nu
Influența siliciului și a niobiului asupra precipitațiilor în faza G-

Faza G-are nevoie de niobiu și siliciu. Mai puțin siliciu și mai puțin niobiu încetinesc precipitarea în faza G-.

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 Da 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Acceptabil (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Nerecomandat 0.65 0.50 8,000-12,{000 35-55 Nu {0.80 0.55 6,000-10,{13}} Recomandări suplimentare pentru practicile347 600 de grade cu manipulare post service

Următoarele limitări ale fazei G-și parametrii materialelor oferă o tenacitate adecvată pentru a preveni fisurarea de la manipulare pentru 347 de încălzitoare cu carcasă care vor fi îndepărtate, dezasamblate, transportate sau aruncate după 20.000 de ore la 600 de grade .

Activitate post service dorită Impact Charpy minim pentru manipulare în siguranță (J) Faza G-Maximă permisă (%) Max. Siliciu (% în greutate) Niobiu maxim (% în greutate} Limită de viață recomandată (ore)
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-Confirmarea fragilizării fază

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 pentru manipulare în siguranță Al doilea este testarea durității: faza G-crește duritatea de la 160-180 HV la 190-220 HV (moderată). În al treilea rând este investigația metalografică (SEM/EDS) pentru detectarea fazei G-(particule strălucitoare, blocate la granițele de granule cu compoziție Ni-Nb-Si). Un simplu test de teren este să îndoiți un cupon mic. Dacă se desparte atunci când este îndoit la 90 de grade pe o rază de 10 mm, fragilizarea este gravă.

Concluzie: utilizați un nivel scăzut de Si + un nivel scăzut de Nb pentru a evita fragilizarea fazei G-în timpul procesării post-de service

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 până la 45-65 J (casabil) producând un pericol mare de fisurare în timpul demontării post-serviciu, ridicării macaralei sau tranzitului. Cele 347 de teci specificate trebuie să includă<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.