Ako prebieha zrážanie objemovej frakcie Lavesovej fázy (Fe₂Mo) pri 650 stupňoch počas-dlhodobej prevádzky 316-litrového ohrievača Plášťová hadica Kontrola prietrže pri tečení Zníženie ťažnosti

Vplyv molybdénovej-bohatej intermetalickej fázy na krehnutie

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 % (ťažné) až<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.

Mechanizmus krehnutia Lavesovej fázy

Lavesova fáza (Fe2Mo) je šesťuholníková uzavretá -zbalená (HCP) štruktúra, bohatá na molybdén (Mo 35-45 %) a kremík (Si 3-5 %). Vyzráža sa z presýtenej austenitovej matrice pri dlhej expozícii pri 550-700 stupňoch . Kinetika zrážania je pomalá v porovnaní s chi fázou s > 1 000-2 000 hodinami pri 65 °C, aby sa dosiahli významné objemové frakcie. Fáza je tvrdá a krehká a prítomnosť takýchto fáz vedie k ľahkým lomovým trasám, najmä ak skrášľujú hranice zŕn. Na rozdiel od fáz chi a sigma, ktoré tiež znižujú pevnosť, Lavesova fáza hlavne krehne materiál a znižuje schopnosť plastickej deformácie pred pretrhnutím. Toto je obzvlášť škodlivé v plášti ohrievačov, pretože bežným príznakom zlyhania je opuch (zväčšenie priemeru) v dôsledku tečenia. V Lavesovej fáze krehnutia môže dôjsť k prasknutiu rýchlo bez akejkoľvek zjavnej predchádzajúcej deformácie.

Kvantitatívna korelácia medzi objemovým podielom Lavesovej fázy a prietržovou ťažnosťou pri 650 stupňoch

Riadené starnutie 316L hadičiek (2,2 % hmotn. Mo, 0,02 % hmotn. C, 0,08 % hmotn. N) pri 650 stupňoch až 20 000 hodín, po ktorom nasledovalo testovanie prietrže pri tečení pri 650 stupňoch a 80 MPa, preukázalo nasledujúcu kinetiku precipitácie Lavesovej fázy a stratu ťažnosti.

Doba starnutia (hodina) 650 stupňov Lavesova fáza Objemová frakcia (%) Lavesova fáza Veľkosť častíc (nm) Zrážanie Miesto tečenia Predĺženie pretrhnutia pri 650 stupňoch (%) Režim prasknutia Odporúčaný pre servis vyžadujúci ťažnosť (vysoká výstraha pred poruchou)
0 (žíhané) 0 N/A Žiadne 20-30 Tvárne (transgranulárne) Áno 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 Rozsiahly<2 Extremely brittle No 
Vplyv obsahu molybdénu na kinetiku zrážok Laves

Rýchlosť zrážania Lavesovej fázy je úmerná koncentrácii molybdénu. Nižší Mo (2,0 – 2,2 %) je dobrý na odolnosť voči Lavesovmu skrehnutiu.

Obsah molybdénu (hmot. %) Čas do 1,0 % Laves pri 650 stupňoch (hodiny) Predĺženie pri pretrhnutí po 10 000 h pri 650 stupňoch (%) Odporúčaná maximálna prevádzková teplota po dobu 10 000 h Životnosť Teplotný rozsah ocele Rozsah teplôt 2,0 (min. 29616) 4000-6000 4-6 630 stupeň 2.4 2500-4000 3-5 620 stupeň 2,5 (max. 316 l) 1500-3000 2-4 610 stupeň 2,8 (takmer 317 l) 800-1500 1-3 600 stupeň Praktické odporúčania pre 316 l ohrievacie plášte pri 650 stupňoch prevádzky

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
Overenie Lavesovej fázy a zníženie ťažnosti

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 % do<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.

Záver: Aby ste zabránili Lavesovmu skrehnutiu, poskytnite limity pre obsah Mo a podmienky služby.

Pre 316L výhrevné plášte z nehrdzavejúcej ocele pracujúce pri 650 stupňoch Lavesovej fázy (Fe2Mo) sa vyzráža po 2 000 až 6 000 hodinách a po 5 000 až 10 000 hodinách dosahuje objemové frakcie 0,6 až 1,5 %. Pri týchto úrovniach sa ťažnosť pri pretrhnutí pri tečení znižuje z > 20 % na 5 – 8 %. To má za následok krehké zlyhanie (náhle prasknutie bez predchádzajúceho) namiesto tvárneho zlyhania (viditeľné upozornenie na opuch). Životnosť 316L plášťov je obmedzená na<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 pri 650 stupňoch, zvážte upgrade na 347 (niób stabilizovaný a nevytvára Lavesovu fázu) alebo 310 nehrdzavejúcu oceľ. Tu uvedený rámec spája objemový podiel Lavesovej fázy so znížením ťažnosti pri tečení pri 650 stupňoch a umožňuje zákazníkom definovať chémiu materiálu a maximálne trvanie prevádzky, ktoré zabráni krehkému zlyhaniu pri dlhodobej prevádzke vysokoteplotného ohrievača.