Ako objemový zlomok zrážania G-fázy (Ni₁₆Nb₆Si₇) v plášti ohrievača 347 po 20 000 hodinách pri 600 stupňoch riadi izbovú teplotu Charpyho vplyvová energia pre po{5}}servisnú demontáž a prepravu

Komplexná silicidová fáza a krehnutie nióbom-stabilizovanej nehrdzavejúcej ocele

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 %, čo predstavuje riziko prasknutia počas pozáručnej demontáže, manipulácie a prepravy. Tento článok kvantifikuje súvislosť medzi rázovou húževnatosťou Charpyho a objemovým podielom fázy G po 20 000 hodinách pri 600 C.

Mechanizmus krehnutia vyvolaného G-fázou

G-fáza (Ni₁₆Nb₆Si₇) zahŕňa ~50-60 % Ni, 20-25 % Nb a 10-15 % Si podľa hmotnosti. Precipituje na hraniciach zŕn po dlhom starnutí pri 550-650 stupňoch, hlavne v nióbom stabilizovaných nehrdzavejúcich oceliach (347, 348). Fáza je tvrdá (400-600 HV) a krehká. Testovanie nárazom pri izbovej teplote ukazuje, že trhliny tvoria jadro na časticiach fázy G a pohybujú sa pozdĺž hraníc zŕn s malou plastickou deformáciou. Krehkosť je jemná: tvrdosť sa môže len nepatrne zlepšiť (zo 160-180 HV na 190-220 HV), zatiaľ čo rázová húževnatosť sa značne znižuje. G-fáza sa bežne zanedbáva z dôvodu predĺženého trvania starnutia (10,000+ hodín) a najmä párov niób-kremík.

Kvantifikovaný vzťah medzi G-fázovým objemovým zlomkom a Charpyho nárazovou energiou

Proces krehnutia 347 hadičiek (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C) starnutých pri 600 stupňoch po dobu až 25 000 hodín je určený kvantifikáciou G{7}} fázy pomocou SEM/EDS a Charpyho V{8}}stupňového nárazového testovania pri 25 stupňoch.

Čas starnutia pri 600 stupňoch (hod.) G-Fázový objemový zlomok (%)G-Veľkosť fázových častíc (nm) Miesto zrážkovej energie Charpyho nárazu pri 25 stupňoch (J) Vzhľad lomu odporúčaný pre po-servisnú manipuláciu (demontáž, preprava)
0 (žíhané) 0 N/A Žiadne 200-240 Tvárne (100 % strih) Áno 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 Kontinuálne + intragranulárne 30-50 Veľmi krehké Nie 25,000 1.30-1.70 100-150 Rozsiahle, konsolidované 20-35 Mimoriadne krehké Nie
Vplyv kremíka a nióbu na zrážanie G-fázy

G-fáza potrebuje niób a kremík. Menej kremíka a menej nióbu spomaľuje zrážanie G-fázy.

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 Áno 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Prijateľné (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Neodporúča sa 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Nie 0.80 0.55 6,000-10 pri odporúčaní cvičného testu 4,{13}} 600 stupňov s Post Service Handling

Nasledujúce obmedzenia fázy G{0}}a materiálové parametre poskytujú primeranú pevnosť, aby sa zabránilo praskaniu pri manipulácii pre 347 zapuzdrených ohrievačov, ktoré budú odstránené, rozložené, prepravené alebo zlikvidované po 20 000 hodinách pri teplote 600 stupňov .

Činnosť po servise Požadovaná Minimálny Charpyho dopad pre bezpečnú manipuláciu (J) Maximálne povolená G-fáza (%) Max. Kremík (hmot. %) Maximálny niób (hmot. %}Odporúčaný limit životnosti (h)
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-Potvrdenie krehnutia fázy

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 pre bezpečnú manipuláciu Druhým je testovanie tvrdosti: G-fáza zvyšuje tvrdosť zo 160-180 HV na 190-220 HV (stredná). Tretím je metalografický výskum (SEM/EDS) na detekciu G- fázy (svetlé, blokové častice na hraniciach zŕn so zložením Ni-Nb-Si). Jednoduchým testom v teréne je ohnúť malý kupón. Ak sa rozštiepi pri ohnutí o 90 stupňov cez polomer 10 mm, skrehnutie je vážne.

Záver: Použite nízky obsah Si + nízky obsah Nb, aby ste sa vyhli G-fázovému skrehnutiu počas-služby

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 až 45-65 J (krehký), čo spôsobuje vysoké nebezpečenstvo prasknutia počas demontáže po servise, zdvíhania žeriavom alebo prepravy. Musí obsahovať špecifikovaných 347 puzdier<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.