W jaki sposób udział objętościowy fazy G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) wytrącanej w osłonie grzejnika 347 po 20 000 godzin w temperaturze 600 stopni kontroluje temperaturę pokojową Charpy’ego, energię wpływu na potrzeby demontażu i transportu po-serwisowym

Złożona faza krzemku i kruchość stali nierdzewnej-stabilizowanej niobem

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%, co stwarza ryzyko pęknięcia podczas demontażu, przenoszenia i wysyłki po serwisie. W artykule tym określono ilościowo związek między udarnością Charpy'ego a udziałem objętościowym fazy G po 20 000 godzin w temperaturze 600°C.

Mechanizm kruchości indukowanej fazą G

Faza G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) zawiera ~50-60% Ni, 20-25% Nb i 10-15% Si. Wytrąca się na granicach ziaren po długim starzeniu w temperaturze 550-650 stopni, głównie w stalach nierdzewnych stabilizowanych niobem (347, 348). Faza jest twarda (400-600 HV) i krucha. Badania udarności w temperaturze pokojowej pokazują, że pęknięcia zarodkują cząstki fazy G i przemieszczają się wzdłuż granic ziaren z niewielkim odkształceniem plastycznym. Kruchość jest subtelna: twardość może nieznacznie wzrosnąć (od 160-180 HV do 190-220 HV), podczas gdy udarność znacznie się zmniejsza. Faza G jest powszechnie pomijana ze względu na wydłużony czas starzenia (10,000+ godzin) i szczególne pary niobu i krzemu.

Ilościowy związek między ułamkiem objętościowym-fazy G a energią uderzenia Charpy’ego

Proces kruchości rurki 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) starzonej w temperaturze 600 stopni przez maksymalnie 25 000 godzin jest określany metodą ilościową fazy G-za pomocą SEM/EDS i badania udarności Charpy V-z karbem w 25 stopniach.

Czas starzenia w temperaturze 600 stopni (godz.) G-Ułamek objętości fazy (%)G-Wielkość cząstek fazy (nm) Miejsce wytrącenia Energia uderzenia Charpy'ego w temperaturze 25 stopni (J) Wygląd pęknięcia Zalecany do-obsługi poserwisowej (demontaż, transport)
0 (wyżarzany) 0 nie dotyczy Brak 200-240 Ciągliwy (100% ścinania) Tak 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 Ciągły + wewnątrzkrystaliczny 30-50 Bardzo kruchy Nie 25,000 1.30-1.70 100-150 Rozległy, skonsolidowany 20-35 Niezwykle kruchy Nie
Wpływ krzemu i niobu na opady w fazie G

Faza G-potrzebuje niobu i krzemu. Mniej krzemu i mniej niobu spowalniają wytrącanie fazy G-.

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 Tak 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Dopuszczalne (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Niezalecane 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Nie 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Brak praktycznych zaleceń dla osłon grzejnika 347 przy 600 stopniach Obsługa usług pocztowych

Poniższe ograniczenia fazy G- i parametry materiału zapewniają odpowiednią wytrzymałość, aby zapobiec pękaniu podczas obsługi 347 grzejników w obudowie, które zostaną usunięte, zdemontowane, przetransportowane lub wyrzucone po 20 000 godzin w temperaturze 600 stopni.

Pożądana działalność pousługowa Minimalny wpływ Charpy’ego na bezpieczną obsługę (J) Maksymalna dopuszczalna faza G- (%) Max. Krzem (% wag.) Maksymalny niob (% wag.) Zalecany limit żywotności (godz.)
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-Potwierdzenie kruchości fazowej

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 dla bezpiecznego użytkowania. Drugim jest badanie twardości:-faza G podnosi twardość ze 160-180 HV do 190-220 HV (umiarkowany). Trzecie to badania metalograficzne (SEM/EDS) w celu wykrycia fazy G-(jasne, blokowe cząstki na granicach ziaren o składzie Ni-Nb-Si). Prostym testem terenowym jest zgięcie małego kuponu. Jeśli pęknie przy zgięciu pod kątem 90 stopni w promieniu 10 mm, kruchość jest poważna.

Wniosek: użyj niskiej zawartości Si + niskiej wartości Nb, aby uniknąć-kruchości w fazie G podczas-obsługi serwisowej

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 do 45-65 J (kruche), stwarzające duże ryzyko pękania podczas demontażu po serwisie, podnoszenia dźwigiem lub transportu. Określone 347 osłon musi obejmować<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.