W jaki sposób poprzednia wielkość ziaren austenitu w rurkach osłonowych grzejnika ze stali nierdzewnej 316 kontroluje szybkość zarodkowania kawitacji pełzania w temperaturze 550 stopni

Gęstość graniczna ziarna jako czynnik trwałości pełzania

W przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 pracujących w podwyższonych temperaturach (550 stopni, typowo dla zastosowań związanych z ogrzewaniem powietrzem lub gazem w wysokiej temperaturze), wielkość ziaren poprzedniego austenitu wyrażona jako liczba wielkości ziaren ASTM (G) jest podstawową zmienną mikrostrukturalną kontrolującą szybkość zarodkowania kawitacji pełzającej. Materiał- drobnoziarnisty (ASTM G=8-10, średnica ziarna 15-25 µm) ma większą powierzchnię granic ziaren na objętość niż materiał gruboziarnisty (ASTM G=3-5, średnica ziarna 50–80 µm). Chociaż drobne ziarna wykazują większą granicę plastyczności w normalnej temperaturze, wykazują szybsze zarodkowanie kawitacji pełzania w rosnących temperaturach, ponieważ granice ziaren są preferowanym miejscem tworzenia się wnęk. Gruboziarnisty materiał 316 (ASTM G=4-5) ma żywotność pełzania 3-5 razy dłuższą w temperaturze 550 stopni niż materiał drobnoziarnisty przy podobnym obciążeniu i temperaturze.
Przeformułuj zdanie

Przywróć oryginalne zdanie

Skopiuj zdanie

Żadnych sugestii

W tym badaniu ocenia się związek między liczbą wielkości ziaren ASTM, szybkością zarodkowania kawitacji i trwałością przy pękaniu pełzającym dla osłon 316 i proponuje ramy specyfikacji dla stosowania w wysokich-temperaturach.

Inicjacja pęknięć poprzez kawitację granicy ziaren podczas pełzania

Głównym mechanizmem odkształcenia pełzającego stali nierdzewnej 316 przy 550 stopniach jest przesuwanie się granic ziaren. Przesuwanie się sąsiadujących ziaren względem siebie powoduje koncentrację naprężeń w punktach potrójnych oraz w cząstkach drugiej fazy (węgliki, wtrącenia) z powodu niezgodności geometrycznych, które tworzą puste przestrzenie. Szybkość zarodkowania jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości ziaren; im mniejszy rozmiar ziarna, tym większa liczba połączeń granicznych ziaren na jednostkę objętości, a tym samym większa liczba możliwych miejsc zarodkowania. Po zarodkowaniu puste przestrzenie rozszerzają się w wyniku dyfuzji wakatów wzdłuż granic ziaren (pełzanie kostek) i zgodnie z-prawem potęgowym pełzania otaczającej matrycy. Całkowity czas pełzania to suma czasu potrzebnego do zarodkowania krytycznej populacji wnęk (zwykle 5-10% powierzchni granicy kawitacji) i czasu potrzebnego do zlania się tych wnęk w pęknięcie. Większa gęstość graniczna oznacza również więcej miejsc zarodkowania, więc krytyczny procent wnęki można osiągnąć wcześniej w przypadku materiałów drobnoziarnistych pomimo wolniejszego tempa wzrostu na wnękę ze względu na krótsze długości dyfuzji.

Ilościowa korelacja pomiędzy wielkością ziarna ASTM i trwałością pełzania przy 550 stopniach

Badanie pełzania rurki 316 o kontrolowanej wielkości ziaren (poprzez dostosowanie czasu i temperatury wyżarzania przesycającego) w temperaturze 550 stopni i przyłożonym naprężeniu 100 MPa (typowe dla naprężenia obwodowego wynikającego z ograniczenia rozszerzalności cieplnej) ustaliło następujące zależności.

ASTM Liczba wielkości ziarna (G) Średnica ziarna (µm) Powierzchnia graniczna ziarna na mm3 (mm2/mm3) Czas do 1% powierzchni kawitowanej (godziny, 550 stopni, 100 MPa) Trwałość przy pełzaniu (h, 550 stopni, 100 MPa) Względna trwałość pełzania (linia bazowa G=4) Zalecana dla pracy w temperaturze 550 stopni 10 (bardzo dobrze) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Nie 8-9 (dobrze) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Niezalecane 7-8 (średnio-dobrze) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Marginalne 6-7 (średnio) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Dopuszczalne w przypadku sporadycznego
5-6 (średnio-gruby) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Zalecane
4-5 (zgrubne) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Idealny do ciągłego serwisu
3-4 (grube) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Dopuszczalna, ale niższa plastyczność
Wpływ wielkości ziarna i rozkładu węglików

Odporność na kawitację pełzającą gruboziarnistego materiału 316 jest w dużym stopniu zależna od obecności węglików zarówno wewnątrzkrystalicznych, jak i na granicy ziaren. Szybkość chłodzenia podczas wyżarzania rozpuszczającego, w wyniku którego powstają drobne, wewnątrzkrystaliczne węgliki (M 23 C 6 , MC), zapewnia wzmocnienie wydzieleniowe wnętrza ziarna, minimalizując pełzanie osnowy. Niskie szybkości chłodzenia powodują powstawanie grubych, ciągłych węglików na granicach ziaren, które skracają trwałość pełzania ze względu na ich korzystne lokalizacje zarodkowania wnęki. Idealną mikrostrukturą do pełzania w temperaturze 550 stopni są gruboziarniste ziarna (ASTM G=4-6) z drobną dyspersją węglików wewnątrzkrystalicznych i nieciągłych węglików na granicach ziaren. Mikrostruktura: Wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1040-1060 C, umiarkowanie chłodzone (wymuszone powietrze, nie hartowanie w wodzie), następnie wyżarzanie stabilizujące w temperaturze 850-900 C przez 2-4 godziny. Wyżarzanie stabilizacyjne wytrąca węgliki w kontrolowany sposób, bez uczulenia (dla gatunków 316L lub stabilizowanych).

Specyfikacja wielkości ziarna do użytku w obsłudze grzejników wysokotemperaturowych

Na podstawie szacowanej żywotności zaproponowano następującą normę wielkości ziarna dla grzejników płaszczowych 316 do pracy ciągłej w temperaturze płaszcza 550 stopni (temperatura ścianki wewnętrznej).

Pożądana żywotność w temperaturze 550 C (w godzinach) Minimalna wielkość ziarna ASTM (niższa liczba=grubsza) (ASTM) maksymalna wielkość ziarna (wyższa liczba=mniejsza) Zalecana obróbka cieplna<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Walidacja wielkości ziarna i uszkodzeń spowodowanych pełzaniem 10 000-20,000 4 (minimalna szorstkość) 5 Wyżarzanie w wysokiej temperaturze (1100 stopni) + powolne chłodzenie

Wysokotemperaturowe grzejniki użytkowe Wielkość ziarna można określić na podstawie analizy metalograficznej- przekroju poprzecznego po trawieniu gliceregią (15 ml HCl, 10 ml gliceryny, 5 ml HNO3). Liczbę wielkości ziaren ASTM uzyskuje się przez porównanie ze standardowymi wykresami zgodnie z ASTM E112 . Uszkodzenia kawitacyjne w wyniku pełzania (małe czarne plamki (wnęki) na granicach ziaren przy powiększeniu 500-1000x) zwykle występują po wyczerpaniu 50-60% czasu pełzania. W przypadku grzejnika gruboziarnistego (G=5) wgłębienia obserwuje się po ~4000–6000 godzin przy żywotności 8000 godzin. W przypadku materiału drobnoziarnistego (G=8) ubytki są widoczne po około 200–400 godzinach, co znacznie skraca czas przed pęknięciem. Okresowe pobieranie próbek (jeden grzejnik na partię rocznie) w celu metalograficznej oceny frakcji kawitacyjnej pozwala uzyskać dane dotyczące konserwacji predykcyjnej kluczowych grzejników.

Uwzględnianie wielkości ziaren elementów spawanych i giętych

Wymagania dotyczące wielkości ziaren należy ocenić pod kątem spawania i gięcia zaślepek. Spawanie generuje strefę wpływu ciepła z drobnymi ziarnami (ASTM G=9-11) wzdłuż linii wtopienia spoiny. W wysokiej temperaturze ta drobnoziarnista-strefa może być obszarem podatnym na kawitację pełzania. W przypadku grzejników pracujących w temperaturze powyżej 500 stopni, strefa spoiny może preferencyjnie ulec uszkodzeniu, nawet jeśli wielkość ziaren metalu podstawowego jest gruba. Jednym ze środków zaradczych jest wyżarzanie-po spawaniu, które powoduje pogrubienie ziaren SWC. Może to nie być wykonalne. Alternatywą jest zastosowanie stopu bardziej odpornego na pełzanie, takiego jak stal nierdzewna 310 lub Inconel 600 do całego grzejnika, co wyeliminuje zmienność trwałości pełzania zależną od wielkości ziaren.

Wniosek: Specyfikacja gruboziarnistych ziaren pod kątem wytrzymałości na pełzanie w wysokiej temperaturze

W przypadku grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 o temperaturze 550 stopni poprzedzająca liczba wielkości ziaren austenitu jest czynnikiem kontrolującym szybkość zarodkowania kawitacji pełzającej, a tym samym całkowitą trwałość pęknięcia pełzania. Zarodkowanie kawitacyjne jest 3-5 razy szybsze w materiale drobnoziarnistym (ASTM G=8-10) niż w materiale gruboziarnistym (ASTM G{=4-5), a czas pełzania jest zmniejszony z 10 000 godzin do 2000 godzin przy tym samym naprężeniu i temperaturze. Inżynierowie powinni określić G=5 lub G=6, zweryfikowane metodą metalografii ASTM E112, dla maksymalnej wielkości ziaren ASTM (grubsze ziarna) dla osłon 316 do ciągłej pracy w wysokich temperaturach. Opisana metodologia wiąże wielkość ziaren z wymiernymi szybkościami kawitacji i trwałością przy zerwaniu, umożliwiając nabywcom wybór rury osłonowej 316 o najlepszej odporności na uszkodzenia pełzające w zastosowaniach wysokotemperaturowych.