Jak objemový zlomek fázového srážení čchi (χ) při 700 stupních během dlouhodobého-provozu 316L potrubí ohřívače ovlivní teplotu v místnosti snížení houževnatosti

Zkřehnoucí intermetalická fáze se vytvořila při 600-800 stupních

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 (tažný) až<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.

Mechanismus křehnutí fáze Chi

Fáze χ má kubickou strukturu se středem těla (BCC) s velkou jednotkovou buňkou (a≈ 8,9 Å) a je bohatá na molybden (obvykle 20-}30% Mo) a chrom (25-35% Cr). Precipituje přednostně na hranicích zrn, kontaktech ferit-austenit a na vměstcích. Fáze je tvrdá a křehká a její přítomnost poskytuje vhodné cesty pro lom podél hranic zrn. Na rozdíl od sigma fáze je chi fáze silnější křehčí činidlo, protože se tvoří jako malé, těsně umístěné částice, které vytvářejí souvislou křehkou síť při nižších objemových frakcích. Maximum je pozorováno při 700 stupních a 1 000-5 000 hodinách stárnutí v závislosti na obsahu molybdenu. Standard 316L (2,0-2,5 % Mo) je citlivý; zvýšený molybden (2,5-3,0 % Mo, téměř 317 l) zvyšuje rychlost produkce chi.

Kvantitativní vztah mezi tepelně{0}}zpracovaným objemovým zlomkem a rázovou houževnatostí při 700 stupních

Progrese křehnutí určovaná řízeným stárnutím 316L hadičky při 700 stupních (přední část křivky TTT fáze chi) s různými dobami stárnutí, po nichž následovala kvantifikace fáze chi (X-difrakce záření, SEM) a Charpy V-zářezové testování při pokojové teplotě (20 stupňů).

Doba stárnutí při 700 stupních (h) Fáze Chi Objemová frakce (% Chi Velikost částic (nm) Místo srážek Teplota dopadu v místnosti (J, Charpy V-zářez) Vzhled povrchu lomu Doporučeno pro provoz, kde je potřeba houževnatost
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 Široký, přestárlý 5-10Extrémně křehký No
Diagram TTT pro fázi Chi v 316L

TTT diagram chi fáze v 316L (2,3 % Mo) ukazuje, že nejrychlejší srážení nastává při 700 °C a nos je asi 1000-2000 hodin.

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
Vliv obsahu molybdenu na rychlost srážení čchi

Vyšší molybden podporuje srážení chi fáze. Nižší molybden je vhodný pro provoz při 700 stupních.

Obsah molybdenu (hmot. %) Čas do 1,0 % Chi při 700 stupních (hodiny) Energie nárazu po 2 000 hodinách při 700 stupních (J) Doporučená maximální teplota po dobu 10 000 h Životnost 2,0 (minimálně 316) 1 500-2,500 30-60 650 l (typický stupeň 2,162) 1 000-1,800 25-50 640 stupeň 2,5 (maximálně 316 l) 600-1,000 15-35 620 stupeň 2,8 (blíží se 317 l) 300-600 10-25 600 stupeň 3,2 (317 l) 150-300 5-15 580 stupeň Praktická doporučení pro 7006L ohřívač Sheath

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) pro pláště ohřívačů 316L při nebo kolem 700 stupňů, platí následující provozní omezení.

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 (nepřijatelné)<600 310 or Inconel 600
Jakýkoli předmět tepelného cyklování 50% úspora časuNaše Postoupit do vyšší třídy
CHARAKTERIZACE CHI-FÁZE ZKŘEHNUTÍ

Tři metody měří zkřehnutí fáze chi u ohřívačů, které byly provozovány při 600-750 stupních . Nejprve zkouška tvrdosti. Tvrdost se zvyšuje ze 160-180 HV na 220-300 HV v důsledku vývoje fáze chi. Druhým je terénní metalografie (replika). Leštěný a leptaný povrch pozorovaný při 500-1000 může vykazovat sraženiny chi na hranicích zrn. Třetím je zjednodušený nárazový test. Pokud lze část ohřívače odstranit, může malý Charpy test posoudit ztrátu houževnatosti. Rentgenová difrakce (XRD) nebo SEM/EDS je definitivní způsob, jak přímo identifikovat chi fázi.

Závěr: Definujte servisní limity, abyste zabránili křehnutí 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 až 30-60 J (křehký lom). Inženýři, kteří specifikují 316L pláště pro provoz nad 650 stupňů, by měli určit celkový čas strávený v oblasti 600-750 stupňů a porovnat ho s omezeními zobrazenými v diagramu TTT. Pro 1000 až 2000 hodin při 700 stupních nebo 5 000 až 10 000 hodin při 650 stupních se doporučuje upgradovat na nerezovou ocel 347 (stabilizovaná niobem, netvoří chi) nebo 310 (zcela austenitická, vyšší chrom). Zde navrhovaný přístup dává do souvislosti objemové procento fáze chi s měřitelnou ztrátou houževnatosti při pokojové teplotě a umožňuje kupujícím stanovit teplotně-časová omezení, která zabraňují zkřehnutí plášťů ohřívačů 316L při dlouhodobém používání při vysokých teplotách.