Cum se efectuează precipitația la 650 de grade a fracțiunii de volum a fazei de Laves (Fe₂Mo) în timpul serviciului pe termen lung al încălzitorului de 316 L Controlul tubului de înveliș al încălzitorului Reducerea ductilității ruperii prin fluaj

Efectul fazei intermetalice bogate în molibden- asupra fragilizării

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% (ductil) la<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.

Mecanismul de fragilizare a fazei Laves

Faza Laves (Fe2Mo) este o structură hexagonală compactă (HCP), bogată în molibden (Mo 35-45%) și siliciu (Si 3-5%). Precipită din matricea de austenită suprasaturată la expunere de lungă durată la 550-700 de grade. Cinetica precipitațiilor este lentă în comparație cu faza chi cu > 1.000-2.000 de ore la 650C pentru a obține fracții de volum semnificative. Faza este dură și fragilă, iar prezența unor astfel de faze duce la rute ușoare de rupere, mai ales atunci când înfrumusețează limitele de cereale. Spre deosebire de fazele chi și sigma, care scad și rezistența, faza Laves fragilizează în principal materialul și reduce capacitatea de a se deforma plastic înainte de rupere. Acest lucru este dăunător în special în tecile de încălzire, deoarece simptomul convențional al defecțiunii este umflarea (creșterea diametrului) din cauza fluajului. În fragilizarea în fază Laves, ruptura se poate produce rapid fără nicio deformare anterioară evidentă.

Corelația cantitativă între fracția de volum a fazei Laves și ductilitatea la rupere la 650 de grade

Îmbătrânirea controlată a tubului de 316L (2,2% în greutate Mo, 0,02% în greutate C, 0,08% în greutate N) la 650 de grade timp de până la 20.000 de ore, urmată de testarea ruperii prin fluaj la 650 de grade și 80 MPa, a demonstrat următoarea cinetică a ductilității fazei Laves și a precipitării.

Timp de îmbătrânire (oră) 650 de grade Faza Laves Fracție de volum (%) Faza Laves Dimensiunea particulelor (nm) Locul de precipitare Fluaj Ruptură Alungire la 650 de grade (%) Mod de rupere Recomandat pentru service care necesită ductilitate (Avertisment ridicat înainte de defecțiune)
0 (recoacet) 0 N/A Niciunul 20-30 Ductil (transgranular) Da 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 extins<2 Extremely brittle No 
Influența conținutului de molibden asupra cineticii precipitațiilor Laves

Rata de precipitare a fazei Laves este proporțională cu concentrația de molibden. Mo inferior (2,0–2,2%) este bun pentru rezistența la fragilizarea Laves.

Conținut de molibden (% în greutate) Timp până la 1,0% Laves la 650 de grade (ore) Ruptură de curgere Alungire după 10.000 h la 650 de grade (%) Temperatura maximă de serviciu recomandată pentru 10.000 de ore de viață Interval de temperatură oțel Interval de temperatură Interval de temperatură 2,0 grade (min. 23}pty) 316L) 4000-6000 4-6 630 grad 2.4 2500-4000 3-5 620 grad 2,5 (max 316L) 1500-3000 2-4 610 grad 2,8 (aproape de 317L) 800-1500 1-3 600 grad Recomandări practice pentru mantaua de încălzire 316L la 650 de grade Service

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
Verificarea fazei Laves și a scăderii Ductilității

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% la<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.

Concluzie: Pentru a preveni fragilizarea Laves, furnizați limite pentru conținutul Mo și condițiile de serviciu.

Pentru tecile de încălzire din oțel inoxidabil 316L care lucrează la 650 de grade faza Laves (Fe2Mo) precipită după 2.000-6.000 de ore și atinge fracțiuni de volum de 0,6-1,5% după 5.000-10.000 de ore. La aceste niveluri, ductilitatea la rupere prin fluaj scade de la > 20% la 5-8%. Aceasta are ca rezultat cedarea fragilă (ruptură bruscă fără antecedent) în loc de cedare ductilă (avertizare vizibilă de umflătură). Durata de viață a tecilor 316L este limitată la<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 la 650 de grade, luați în considerare actualizarea la 347 (stabilizat cu niobiu și nu produce faza Laves) sau oțel inoxidabil 310. Cadrul oferit aici leagă fracțiunea de volum a fazei Laves cu reducerea ductilității la 650 de grade și permite clienților să definească chimia materialului și duratele maxime de funcționare care vor preveni defecțiunile fragile în timpul serviciului de încălzire la temperatură înaltă.