Kako se predhodna številka velikosti zrn avstenita v cevi grelnega plašča iz nerjavečega jekla 316 uravnava hitrost nukleacije plazenja pri 550 stopinjah

Gostota meje zrn kot dejavnik življenjske dobe lezenja

Za električne grelne cevi z oblogo iz nerjavečega jekla 316, ki delujejo pri povišanih temperaturah (550 stopinj, značilno za visokotemperaturne aplikacije za ogrevanje zraka ali plina), je predhodna velikost zrn avstenita, izražena kot število velikosti zrn (G) ASTM, primarna mikrostrukturna spremenljivka, ki nadzoruje hitrost nukleacije pri plazeči kavitaciji. Drobno{3}}material (ASTM G=8-10, premer zrn 15-25 µm) ima večjo površino meja zrn na prostornino kot grobo zrnat material (ASTM G=3-5, premer zrn 50-80 µm). Čeprav drobna zrna kažejo večjo mejo tečenja pri normalni temperaturi, kažejo hitrejše nukleiranje kavitacije pri lezenju pri naraščajočih temperaturah, ker so meje zrn prednostna mesta za nastanek votlin. Grobozrnat 316 (ASTM G=4-5) ima 3- do 5-krat daljšo življenjsko dobo pri 550 stopinjah kot drobnozrnat material pri podobni obremenitvi in ​​temperaturi.
Preoblikujte stavek

Povrni prvotni stavek

Prepiši stavek

Nobenih predlogov

Ta študija ocenjuje razmerje med številom velikosti zrn ASTM, hitrostjo nukleacije kavitacije in življenjsko dobo proti lezenju za 316 ovojov ter predlaga okvir specifikacije za visoko-temperaturno uporabo.

Začetek razpoke prek kavitacije meje zrn med lezenjem

Glavni mehanizem deformacije lezenja nerjavečega jekla 316 pri 550 stopinjah je drsenje meje zrn. Drsenje sosednjih zrn eno mimo drugega povzroča koncentracije napetosti na trojnih točkah in na delcih druge faze (karbidi, vključki) zaradi geometrijskih nekompatibilnosti, ki nukleirajo praznine. Hitrost nukleacije je obratno sorazmerna z velikostjo zrn; manjša kot je velikost zrn, večje je število mejnih stikov zrn na enoto prostornine in s tem večje število možnih mest nukleacije. Ko nastanejo jedra, se praznine razširijo z difuzijo prostih mest vzdolž meja zrn (Coblovo lezenje) in po potenčnem-zakonu lezenja okoliške matrike. Celotna življenjska doba lezenja je vsota časa za nastanek kritične populacije votlin (običajno 5-10 ​​% površinskega deleža kavitirane meje) in časa, ko se te votline združijo v razpoko. Večja mejna gostota pomeni tudi več nukleacijskih mest, zato je mogoče kritični odstotek votline doseči prej za drobnozrnate materiale kljub počasnejši stopnji rasti na votlino zaradi krajših difuzijskih dolžin.

Kvantitativna korelacija med velikostjo zrn ASTM in življenjsko dobo pri lezenju pri 550 stopinjah

Preizkušanje porušitve zaradi lezenja cevi 316 z nadzorovano velikostjo zrn (s prilagajanjem časa in temperature žarjenja raztopine) pri 550 stopinjah in uporabljeni obremenitvi 100 MPa (tipično za obročno napetost zaradi omejitve toplotnega raztezanja) je ugotovilo naslednja razmerja.

Število velikosti zrn ASTM (G) Premer zrn (µm) Mejna površina zrn na mm3 (mm2/mm3) Čas do 1 % kavitirane mejne površine (ure, 550 stopinj, 100 MPa) Življenjska doba pri lezenju (h, 550 stopinj, 100 MPa) Relativna življenjska doba med lezenjem (G=4 osnovna linija) Priporočeno za 550 stopnja Storitev 10 (zelo dobro) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Ne 8-9 (dobro) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Ni priporočljivo 7-8 (srednje dobro) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Obrobno 6-7 (srednje) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Sprejemljivo za občasne
5-6 (srednje grobo) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× priporočeno
4-5 (grobo) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Idealno za stalno servisiranje
3-4 (grobo) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Sprejemljivo, vendar nižja duktilnost
Vpliv velikosti zrn in porazdelitve karbida

Odpornost proti kavitaciji pri lezenju grobozrnatega 316 je kritično odvisna od prisotnosti intragranularnih in zrnatih karbidov. Hitrost hlajenja med žarjenjem v raztopini, ki ustvarja fine intragranularne karbide (M 23 C 6 , MC), zagotavlja precipitacijsko ojačitev notranjosti zrn, kar zmanjšuje lezenje matrice. Počasne stopnje ohlajanja povzročijo grobe, neprekinjene karbide z mejami zrn, ki zmanjšajo življenjsko dobo lezenja zaradi svojih ugodnih lokacij za nukleacijo votlin. Idealna mikrostruktura za lezenje pri 550 stopinjah je groba zrna (ASTM G=4-6) s fino disperzijo intragranularnih karbidov in diskontinuiranih karbidov z mejami zrn. Mikrostruktura: Raztopina, žarjena pri 1040-1060 C, zmerno ohlajena (prisilni zrak, ne gašenje z vodo), nato stabilizacijsko žarjena pri 850-900 C 2-4 ure. Stabilizacijsko žarjenje obarja karbide na nadzorovan način brez preobčutljivosti (za 316L ali stabilizirane kvalitete).

Specifikacija velikosti zrn za uporabo pri visokotemperaturnem grelniku

Na podlagi ocenjene življenjske dobe je za 316 oplaščenih grelnikov predlagan naslednji standard velikosti zrn za neprekinjeno delovanje pri temperaturi plašča 550 stopinj (temperatura notranje stene).

Želena življenjska doba pri 550 C (ure) Najmanjša velikost zrn ASTM (nižje število=grobejša) (ASTM) največja velikost zrn (večje število=manjše) Priporočena toplotna obdelava<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Velikost zrn in validacija polja poškodb zaradi lezenja 10.000-20,000 4 (najmanjša grobost) 5 Visokotemperaturno žarjenje (1100 stopinj) + počasno hlajenje

Visokotemperaturni delovni grelniki. Velikost zrn je mogoče določiti z metalografsko analizo prečnega-prereza po jedkanju z gliceregijem (15 ml HCl, 10 ml glicerola, 5 ml HNO3). Število velikosti zrn ASTM je pridobljeno s primerjavo s standardnimi grafikoni v skladu z ASTM E112 . Poškodbe zaradi kavitacije zaradi lezenja (majhne črne lise (votline) na mejah zrn pri povečavi 500-1000x) se običajno pojavijo, ko je izčrpanih 50-60 % življenjske dobe lezenja. Pri grobozrnatem (G=5) grelniku so votline opažene pri ~4000–6000 urah od 8000-urne življenjske dobe. Pri drobnozrnatem materialu (G=8) so votline vidne približno 200–400 ur, kar pomeni bistveno manj opaznosti pred zlomom. Periodično vzorčenje (en grelnik na serijo na leto) za metalografsko oceno frakcije kavitacije daje predvidene podatke o vzdrževanju za ključne grelnike.

Upoštevanje velikosti zrn za varjene in upognjene komponente

Zahteve glede velikosti zrn je treba oceniti glede na varjenje in upogibanje končnih pokrovčkov. Varjenje ustvari območje toplotnega vpliva z drobnimi zrni (ASTM G=9-11) vzdolž talilne linije zvara. Pri visoki temperaturi je lahko to fino{3}}zrnato območje ranljivo območje za kavitacijo pri lezenju. V primeru grelnikov, ki delujejo nad 500 stopinjami, je območje zvara lahko prednostno poškodovano, čeprav je velikost zrn osnovne kovine groba. Ena od ublažitev je žarjenje z raztopino po -varu, ki zgrobi zrna HAZ. To morda ni izvedljivo. Druga možnost je uporaba zlitine, ki je bolj odporna proti lezenju, kot je nerjaveče jeklo 310 ali Inconel 600 za celoten grelnik, kar bo odstranilo variabilnost, odvisno od velikosti zrn v življenjski dobi lezenja.

Zaključek: specifikacija grobih zrn za visokotemperaturno lezečo trdnost

Za grelnike z ohišjem iz nerjavečega jekla 316 pri 550 stopinjah je predhodna številka velikosti avstenitnega zrna kontrolni faktor za stopnjo nukleacije zaradi lezeče kavitacije in s tem celotno življenjsko dobo porušitve pri lezenju. Kavitacijska nukleacija je 3–5-krat hitrejša v drobnozrnatem materialu (ASTM G=8-10) kot v grobozrnatem materialu (ASTM G=4-5), pri čemer se življenjska doba lezenja zmanjša z 10.000 ur na 2.000 ur pri enaki obremenitvi in ​​temperaturi. Inženirji določijo G=5 ali G=6, preverjeno z metalografijo ASTM E112, za največje število velikosti zrn ASTM (grobejša zrna) za 316 ovojov za stalno uporabo pri visokih temperaturah. Opisana metodologija povezuje velikost zrn z merljivimi stopnjami kavitacije in življenjsko dobo do pretrganja, kar kupcem omogoča, da izberejo cev s plaščem 316 z najboljšo odpornostjo proti lezenju pri visokotemperaturnih aplikacijah.