Jak probíhá srážení objemové frakce Lavesovy fáze (Fe₂Mo) při 650 stupních během dlouhodobého-provozu 316L ohřívače, kontrola pláště potrubí

Vliv molybdenové-bohaté intermetalické fáze na křehkost

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 % (duktilní) až<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.

Mechanismus křehnutí Lavesovy fáze

Lavesova fáze (Fe2Mo) je hexagonální těsně -sbalená (HCP) struktura, bohatá na molybden (Mo 35-45 %) a křemík (Si 3-5 %). Vysráží se z přesycené austenitové matrice při dlouhodobé expozici při 550-700 stupních . Kinetika srážení je pomalá ve srovnání s chi fází s > 1 000-2 000 hodinami při 65 °C, aby se dosáhlo významných objemových frakcí. Fáze je tvrdá a křehká a přítomnost takových fází vede ke snadným lomovým cestám, zvláště když zdobí hranice zrn. Na rozdíl od fází chi a sigma, které také snižují pevnost, Lavesova fáze hlavně křehne materiál a snižuje schopnost plastické deformace před prasknutím. To je zvláště škodlivé u plášťů ohřívačů, protože běžným příznakem selhání je otok (zvětšení průměru) v důsledku tečení. V Lavesově fázi křehnutí může dojít k prasknutí rychle bez jakékoli zjevné předchozí deformace.

Kvantitativní korelace mezi objemovým podílem Lavesovy fáze a průtažností při 650 stupních

Řízené stárnutí 316L potrubí (2,2 % hmotn. Mo, 0,02 % hmotn. C, 0,08 % hmotn. N) při 650 stupních po dobu až 20 000 h, následované testováním tečení při 650 stupních a 80 MPa, prokázalo následující kinetiku precipitace Lavesovy fáze a ztrátu tažnosti.

Doba stárnutí (hodina) 650 stupňů Lavesova fáze Objemový zlomek (%) Lavesova fáze Velikost částic (nm) Srážení Místo Tečení Protržení Prodloužení při 650 stupních (%) Režim prasknutí Doporučený pro servis vyžadující tažnost (Vysoká výstraha před poruchou)
0 (žíhaný) 0 N/A Žádný 20-30 Tažný (transgranulární) Ano 1 000<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 Rozsáhlé<2 Extremely brittle No 
Vliv obsahu molybdenu na kinetiku srážek Laves

Rychlost srážení Lavesovy fáze je úměrná koncentraci molybdenu. Nižší Mo (2,0–2,2 %) je dobré pro odolnost vůči Lavesově křehkosti.

Obsah molybdenu (hmot. %) Čas do 1,0 % Laves při 650 stupních (hodiny) Protažení při přetržení po 10 000 h při 650 stupních (%) Doporučená maximální provozní teplota po dobu 10 000 h Životnost Teplotní rozsah oceli Rozsah teplot Rozsah teplot 2,0 (min 29616) 4000-6000 4-6 630 stupeň 2.4 2500-4000 3-5 620 stupeň 2,5 (max. 316 l) 1500-3000 2-4 610 stupeň 2,8 (blízko 317 l) 800-1500 1-3 600 stupeň Praktická doporučení pro 316L ohřívací pláště při 650 stupních provozu

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
Ověření Lavesovy fáze a snížení tvárnosti

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 % až<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.

Závěr: Chcete-li zabránit Lavesovu křehnutí, poskytněte limity pro obsah Mo a podmínky služby.

U 316L ohřívací pláště z nerezové oceli pracující při 650 stupních Lavesovy fáze (Fe2Mo) se vysráží po 2 000 až 6 000 hodinách a po 5 000 až 10 000 hodinách dosahuje objemových frakcí 0,6 až 1,5 %. Na těchto úrovních se tažnost při tečení snižuje z > 20 % na 5-8 %. To má za následek křehké selhání (náhlé prasknutí bez předchozího) místo tvárného porušení (viditelné varování o bobtnání). Životnost 316L pochev je omezena na<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 h při 650 stupních, zvažte upgrade na nerezovou ocel 347 (niob stabilizovaný a nevytváří Lavesovu fázi) nebo 310. Zde uvedený rámec se vztahuje k objemovému podílu fáze Laves se snížením tažnosti při tečení při 650 stupních a umožňuje zákazníkům definovat chemii materiálu a maximální doby provozu, které zabrání křehkému selhání při dlouhodobém provozu vysokoteplotního ohřívače.