W jaki sposób udział objętościowy fazy Lavesa (Fe₂Mo) w wytrącaniu w temperaturze 650 stopni podczas-długiego okresu użytkowania rur osłonowych nagrzewnicy 316L ogranicza ciągliwość przy pękaniu pełzającym

Wpływ{{0}bogatej fazy międzymetalicznej molibdenu na kruchość

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% (ciągliwy) do<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.

Mechanizm kruchości w fazie Lavesa

Faza Lavesa (Fe2Mo) to sześciokątna struktura o gęstym-upakowaniu (HCP), bogata w molibden (Mo 35-45%) i krzem (Si 3-5%). Wytrąca się z osnowy austenitu przesyconego pod wpływem długotrwałej ekspozycji w temperaturze 550-700 stopni. Kinetyka wytrącania jest powolna w porównaniu z fazą chi i trwa > 1000–2000 godzin w temperaturze 650°C, aby osiągnąć znaczny udział objętościowy. Faza jest twarda i krucha, a obecność takich faz prowadzi do łatwych dróg pękania, zwłaszcza gdy uwydatniają one granice ziaren. W przeciwieństwie do faz chi i sigma, które również zmniejszają wytrzymałość, faza Lavesa głównie powoduje kruchość materiału i zmniejsza zdolność do odkształceń plastycznych przed pęknięciem. Jest to szczególnie szkodliwe w przypadku osłon grzejników, ponieważ typowym objawem awarii jest pęcznienie (zwiększenie średnicy) na skutek pełzania. W przypadku kruchości w fazie Lavesa pęknięcie może nastąpić szybko, bez widocznej poprzedzającej deformacji.

Ilościowa korelacja między udziałem objętościowym fazy Lavesa a ciągliwością przy zerwaniu w temperaturze 650 stopni

Kontrolowane starzenie się rurki 316L (2,2% wag. Mo, 0,02% wag. C, 0,08% wag. N) w temperaturze 650 stopni przez okres do 20 000 godzin, a następnie badanie pełzania w temperaturze 650 stopni i 80 MPa, wykazało następującą kinetykę wytrącania w fazie Lavesa i utratę plastyczności.

Czas starzenia (godziny) 650 stopni Udział objętościowy fazy Lavesa (%) Faza Lavesa Rozmiar cząstek (nm) Miejsce wytrącania Wydłużenie przy pełzaniu przy zerwaniu przy 650 stopniach (%) Tryb zerwania Zalecany do zastosowań wymagających ciągliwości (wysokie ostrzeżenie przed awarią)
0 (wyżarzany) 0 N/A Brak 20-30 Ciągliwy (transgranularny) Tak 1000<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 Obszerne<2 Extremely brittle No 
Wpływ zawartości molibdenu na kinetykę opadów Lavesa

Szybkość wytrącania fazy Lavesa jest proporcjonalna do stężenia molibdenu. Niższy Mo (2,0–2,2%) jest dobry dla odporności na kruchość Lavesa.

Zawartość molibdenu (% wag.) Czas do 1,0% Laves przy 650 stopniach (godziny) Wydłużenie przy zerwaniu przy pełzaniu Wydłużenie po 10 000 godzin w 650 stopniach (%) Zalecana maksymalna temperatura pracy przez 10 000 godzin Trwałość Zakres temperatur stali Zakres temperatur Zakres temperatur 2,0 (min. 316) 6000-8000 5-8 640 stopni 2,2 (typ 316L) 4000-6000 4-6 630 stopni 2.4 2500-4000 3-5 620 stopień 2,5 (maks. 316 l) 1500-3000 2-4 610 stopień 2,8 (blisko 317 l) 800-1500 1-3 600 stopień Praktyczne zalecenia dla osłon grzejnika 316 l przy temperaturze pracy 650 stopni

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
Weryfikacja fazy Lavesa i spadku ciągliwości

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.

Wniosek: Aby zapobiec kruchości Lavesa, należy podać limity zawartości Mo i warunki świadczenia usług.

W przypadku osłon grzejników ze stali nierdzewnej 316L pracujących w temperaturze 650 stopni Lavesa faza (Fe2Mo) wytrąca się po 2000-6000 godzin i osiąga ułamki objętościowe 0,6-1,5% po 5000-10 000 godzin. Na tych poziomach plastyczność przy pełzaniu zmniejsza się z > 20% do 5-8%. Powoduje to uszkodzenie kruche (nagłe pęknięcie bez poprzedzającego zdarzenia) zamiast uszkodzenia plastycznego (widoczne ostrzeżenie o pęcznieniu). Żywotność osłon 316L jest ograniczona do<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 godzin w temperaturze 650 stopni, rozważ wymianę na stal nierdzewną 347 (stabilizowana niobem i nie wytwarzająca fazy Lavesa) lub stal nierdzewną 310. Podane tutaj ramy wiążą udział objętościowy fazy Lavesa ze zmniejszeniem plastyczności przy pękaniu pełzającym przy 650 stopniach i pozwalają klientom zdefiniować skład chemiczny materiału i maksymalne czasy użytkowania, które zapobiegną kruchemu uszkodzeniu podczas długotrwałej pracy grzejników wysokotemperaturowych.