Jak udział objętościowy wytrącania fazy Chi (χ) w temperaturze 700 stopni podczas-długiego okresu użytkowania rur osłonowych grzejnika 316L kontroluje redukcję udarności w temperaturze pokojowej

Krucha faza międzymetaliczna tworzy się w temperaturze 600-800 stopni

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 (ciągliwy) do<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.

Mechanizm kruchości fazy Chi

Faza χ ma strukturę sześcienną skupioną wokół ciała (BCC) z dużą komórką elementarną (a≈ 8,9 Å) i jest bogata w molibden (zwykle 20-30% Mo) i chrom (25-35% Cr). Wytrąca się preferencyjnie na granicach ziaren, na stykach ferryt-austenit i wtrąceniach. Faza ta jest twarda i krucha, a jej obecność zapewnia dogodne drogi pękania wzdłuż granic ziaren. W przeciwieństwie do fazy sigma, faza chi jest silniejszym środkiem kruchym, ponieważ tworzy małe, blisko siebie rozmieszczone cząstki, które tworzą ciągłą kruchą sieć przy mniejszych frakcjach objętościowych. Maksimum obserwuje się przy 700 stopniach i 1000-5000 godzinach starzenia, w zależności od zawartości molibdenu. Standardowy 316L (2,0-2,5% Mo) jest podatny; zwiększona zawartość molibdenu (2,5-3,0% Mo, blisko 317L) zwiększa tempo produkcji chi.

Ilościowy związek pomiędzy-ułamkiem objętościowym poddanym obróbce cieplnej a udarnością w temperaturze 700 stopni

Postęp kruchości określony przez kontrolowane starzenie rurki 316L w temperaturze 700 stopni (krzywa TTT fazy chi) przy różnych czasach starzenia, a następnie oznaczenie ilościowe fazy chi (dyfrakcja promieni X-, SEM) i badanie udarności Charpy'ego V-w temperaturze pokojowej (20 stopni).

Czas starzenia w temperaturze 700 stopni (h) Udział objętościowy fazy Chi (% Chi Wielkość cząstek (nm) Miejsce wytrącania Temperatura pokojowa Energia uderzenia (J, karb Charpy’ego V-) Wygląd powierzchni pęknięcia Zalecany do zastosowań, w których wymagana jest wytrzymałość
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 Szeroki, przestarzały 5-10Wyjątkowo delikatny Nie
Wykres TTT dla fazy Chi w 316L

Diagram TTT fazy chi w 316L (2,3% Mo) wskazuje, że najszybsze wytrącanie następuje w temperaturze 700 o C, a nos wynosi około 1000-2000 godzin.

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
Wpływ zawartości molibdenu na szybkość wytrącania Chi

Wyższa zawartość molibdenu sprzyja wytrącaniu fazy chi. Niższy molibden nadaje się do pracy w temperaturze 700 stopni.

Zawartość molibdenu (% wag.) Czas do 1,0% Chi w 700 stopniach (godziny) Energia udaru po 2000 godzin w 700 stopniach (J) Zalecana maksymalna temperatura przez 10 000 godzin Trwałość 2,0 (minimum 316) 1500-2,500 30-60 650 stopnia 2,2 (typowo 316L) 1000-1,800 25-50 640 stopień 2,5 (maksymalnie 316L) 600-1,000 15-35 620 stopień 2,8 (blisko 317L) 300-600 10-25 600 stopień 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 stopień Praktyczne zalecenia dla osłon grzejnika 316L przy pracy w temperaturze 700 stopni

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) dla osłon grzejnika 316L w temperaturze 700 stopni lub około, obowiązują następujące ograniczenia serwisowe.

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 (niedopuszczalne)<600 310 or Inconel 600
Każdy, kto podlega cyklom termicznym. Oszczędność czasu 50% Powyżej Awans do następnej klasy
CHARAKTERYSTYKA CHI-FAZY KRUCHNOŚCI

Trzy metody mierzą kruchość fazy chi w przypadku grzejników eksploatowanych w temperaturze 600-750 stopni. Najpierw badanie twardości. Twardość wzrasta ze 160-180 HV do 220-300 HV w wyniku rozwoju fazy chi. Druga to metalografia terenowa (replika). Wypolerowana i wytrawiona powierzchnia widoczna przy 500-1000 może wykazywać wytrącanie się chi na granicach ziaren. Trzeci to uproszczony test udarności. Jeżeli można usunąć część grzejnika, można przeprowadzić test Charpy’ego na małą skalę, aby ocenić utratę wytrzymałości. Dyfrakcja promieni rentgenowskich (XRD) lub SEM/EDS to ostateczny sposób bezpośredniej identyfikacji fazy chi.

Wniosek: Zdefiniuj limity usług, aby zapobiec kruchości 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 do 30-60 J (kruche pękanie). Inżynierowie wybierający osłony 316L do pracy w temperaturze powyżej 650 stopni powinni określić całkowity czas spędzony w obszarze 600-750 stopni i porównać go z ograniczeniami pokazanymi na wykresie TTT. W przypadku 1000 do 2000 godzin w temperaturze 700 stopni lub 5000 do 10000 godzin w temperaturze 650 stopni zaleca się wymianę na stal nierdzewną 347 (stabilizowana niobem, nie tworzy chi) lub 310 (całkowicie austenityczna, z wyższą zawartością chromu). Zaproponowane tutaj podejście wiąże procent objętości fazy chi z mierzalną utratą udarności w temperaturze pokojowej i umożliwia nabywcom ustalenie ograniczeń temperaturowo-czasowych, które wykluczają kruchość osłon grzejnika 316L podczas długotrwałego użytkowania w wysokich temperaturach.