Ako objemový zlomok fázového zrážania chi (χ) pri 700 stupňoch počas-dlhodobej prevádzky 316-litrovej rúrky plášťa ohrievača ovplyvňuje zníženie húževnatosti

Krehká intermetalická fáza sa vytvorila pri 600-800 stupňoch

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (ťažné) až<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Mechanizmus krehnutia fázy Chi

Fáza χ má kubickú štruktúru so stredom tela (BCC) s veľkou jednotkovou bunkou (a≈ 8,9 Å) a je bohatá na molybdén (zvyčajne 20-}30% Mo) a chróm (25-35% Cr). Precipituje prednostne na hraniciach zŕn, feritovo-austenitových kontaktoch a v inklúziách. Fáza je tvrdá a krehká a jej prítomnosť poskytuje vhodné spôsoby lámania pozdĺž hraníc zŕn. Na rozdiel od sigma fázy je chi fáza silnejším krehovacím činidlom, pretože sa tvorí ako malé, tesne umiestnené častice, ktoré vytvárajú súvislú krehkú sieť pri nižších objemových frakciách. Maximum sa pozoruje pri 700 stupňoch a 1 000 – 5 000 hodinách starnutia v závislosti od obsahu molybdénu. Štandardná 316L (2,0-2,5 % Mo) je citlivá; zvýšený molybdén (2,5-3,0% Mo, takmer 317L) zvyšuje rýchlosť produkcie chi.

Kvantitatívny vzťah medzi tepelne{0}}opracovaným objemovým zlomkom a nárazovou húževnatosťou pri 700 stupňoch

Progresia krehnutia určená riadeným starnutím 316L hadičky pri 700 stupňoch (predná časť krivky TTT fázy chi) s rôznymi časmi starnutia, po ktorých nasleduje kvantifikácia fázy chi (röntgenová difrakcia, SEM) a Charpy V-zárezové testovanie pri izbovej teplote (20 stupňov).

Čas starnutia pri 700 stupňoch (h) Fáza Chi Objemový podiel (% Chi Veľkosť častíc (nm) Miesto zrážok Teplota miestnosti Energia dopadu (J, Charpy V-zárez) Vzhľad povrchu lomu Odporúča sa pre servis, kde je potrebná pevnosť
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Široký, prestarnutý 5-10Mimoriadne krehký Č
Schéma TTT pre fázu Chi v 316L

TTT diagram chi fázy v 316L (2,3% Mo) ukazuje, že najrýchlejšie zrážanie nastáva pri 700 °C a nos je asi 1000-2000 hodín.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Vplyv obsahu molybdénu na rýchlosť zrážok chi

Vyšší molybdén podporuje precipitáciu chi fázy. Nižší molybdén je vhodný na prevádzku pri 700 stupňoch.

Obsah molybdénu (hmot. %) Čas do 1,0 % Chi pri 700 stupňoch (hodiny) Energia nárazu po 2 000 hodinách pri 700 stupňoch (J) Odporúčaná maximálna teplota na 10 000 h Životnosť 2,0 (minimálne 316) 1 500-2,500 30-60 650 typický stupeň 2,162 1 000-1,800 25-50 640 stupeň 2,5 (maximálne 316 l) 600-1,000 15-35 620 stupeň 2,8 (približuje sa k 317 l) 300-600 10-25 600 stupeň 3,2 (317 l) 150-300 5-15 580 stupeň Praktické odporúčania pre servisný ohrievač 7006L

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) pre plášte ohrievačov 316L pri alebo okolo 700 stupňov, platia nasledujúce prevádzkové obmedzenia.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (neprijateľné)<600 310 or Inconel 600
Akýkoľvek predmet tepelného cyklovania 50 % úspora časuVyššie Postúpiť do ďalšieho ročníka
CHARAKTERIZÁCIA CHI-FÁZY KREPNUTIA

Tri metódy merajú skrehnutie fázy chi pre ohrievače, ktoré boli prevádzkované pri teplote 600-750 stupňov . Po prvé, skúška tvrdosti. Tvrdosť sa zvyšuje zo 160-180 HV na 220-300 HV v dôsledku vývoja fázy chi. Druhým je poľná metalografia (replika). Leštený a leptaný povrch pozorovaný pri 500-1 000 môže vykazovať chi precipitáty na hraniciach zŕn. Tretím je zjednodušený nárazový test. Ak je možné časť ohrievača odstrániť, malý Charpy test môže posúdiť stratu húževnatosti. Röntgenová difrakcia (XRD) alebo SEM/EDS je definitívny spôsob, ako priamo identifikovať chi fázu.

Záver: Definujte limity služby, aby ste zabránili krehnutiu Chi

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J až 30-60 J (krehký lom). Inžinieri, ktorí špecifikujú 316L plášte pre prevádzku nad 650 stupňov, by mali určiť celkový čas strávený v oblasti 600-750 stupňov a porovnať ho s obmedzeniami zobrazenými v diagrame TTT. Pre 1000 až 2000 hodín pri 700 stupňoch alebo 5 000 až 10 000 hodín pri 650 stupňoch sa odporúča upgrade na nerezovú oceľ 347 (stabilizovaná nióbom, nevytvára chi) alebo 310 (úplne austenitická, vyšší chróm). Tu navrhovaný prístup spája objemové percento fázy chi s merateľnou stratou húževnatosti pri izbovej teplote a umožňuje kupujúcim stanoviť teplotné a časové obmedzenia, ktoré vylučujú skrehnutie plášťov ohrievača 316L pri dlhodobom používaní pri vysokej teplote.