Kako se volumski delež padavine Chi (χ) faze pri 700 stopinjah med dolgo-delovanjem 316L cevi plašča grelnika temperatura v nadzorni sobi zmanjša žilavost

Krhka intermetalna faza je nastala pri 600-800 stopinjah

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 (duktilen) do<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.

Mehanizem krhkosti Chi faze

Faza χ ima kubično strukturo s telesnim središčem (BCC) z veliko enotsko celico (a≈ 8,9 Å) in je bogata z molibdenom (običajno 20-30% Mo) in kromom (25-35% Cr). Izloča se prednostno na mejah zrn, stikih ferit-avstenit in na vključkih. Faza je trda in krhka in njena prisotnost zagotavlja priročne poti za zlom vzdolž meja zrn. Za razliko od sigma faze je chi faza močnejše sredstvo za krhkost, saj se tvori kot majhni, tesno razporejeni delci, ki tvorijo neprekinjeno krhko mrežo pri nižjih volumskih deležih. Najvišjo vrednost opazimo pri 700 stopinjah in 1000-5000 urah staranja, odvisno od vsebnosti molibdena. Standardni 316L (2,0-2,5 % Mo) je občutljiv; povečan molibden (2,5-3,0 % Mo, blizu 317L) poveča stopnjo proizvodnje chi.

Kvantitativno razmerje med toplotno-obdelanim volumskim deležem in udarno žilavostjo pri 700 stopinjah

Napredovanje krhkosti, ugotovljeno z nadzorovanim staranjem cevi iz 316L pri 700 stopinjah (krivulja chi faze TTT) z različnimi časi staranja, ki mu sledi kvantifikacija chi faze (rentgenska difrakcija žarkov, SEM) in Charpyjev V-udarni preskus z zarezo pri sobni temperaturi (20 stopinj).

Čas staranja pri 700 stopinjah (h) Volumski delež faze Chi (%Chi Velikost delcev (nm) Energija vpliva temperature mesta padavin (J, Charpy V-zareza) Videz površine loma Priporočljivo za uporabo, kjer je potrebna žilavost
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 Široka, prestara 5-10 Izjemno krhka Št
Diagram TTT za fazo Chi v 316L

TTT diagram chi faze v 316L (2,3 % Mo) kaže, da se najhitrejša precipitacija pojavi pri 700 o C in da je čas približno 1000-2000 ur.

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
Vpliv vsebnosti molibdena na stopnjo padavin Chi

Višji molibden spodbuja precipitacijo chi faze. Nižji molibden je primeren za uporabo pri 700 stopinjah.

Vsebnost molibdena (masni %) Čas do 1,0 % Chi pri 700 stopinjah (ure) Energija udarca po 2000 urah pri 700 stopinjah (J) Priporočena najvišja temperatura za 10.000 ur življenjske dobe 2.0 (najmanj 316) 1500-2,500 30-60 650 stopinja 2,2 (tipično 316L) 1,000-1,800 25-50 640 stopinja 2,5 (največ 316L) 600-1,000 15-35 620 stopnja 2,8 (približuje se 317L) 300-600 10-25 600 stopnja 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 stopinja Praktična priporočila za grelne ovoje 316L pri servisiranju 700 stopinj

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) za grelne ovoje 316L pri 700 stopinjah ali okoli njih veljajo naslednje omejitve storitev.

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 (ni sprejemljivo)<600 310 or Inconel 600
Vsak predmet termičnega cikla 50 % prihranka časa Zgoraj Napreduj v naslednji razred
KARAKTERIZACIJA CHI-FAZE KRTLJIVOSTI

Tri metode merijo krhkost faze chi za grelnike, ki so delovali pri 600-750 stopinjah. Prvič, testiranje trdote. Zaradi razvoja chi faze se trdota poveča s 160-180 HV na 220-300 HV. Druga je terenska metalografija (replika). Polirana in jedkana površina, vidna pri 500-1000, lahko kaže oborino chi na mejah zrn. Tretji je poenostavljen preskus udarca. Če je del grelnika mogoče odstraniti, lahko s Charpyjevim preskusom majhne velikosti ocenite izgubo žilavosti. Rentgenska difrakcija (XRD) ali SEM/EDS je dokončen način za neposredno identifikacijo chi faze.

Zaključek: Določite omejitve storitev, da preprečite krhkost 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 do 30-60 J (krhki lom). Inženirji, ki določajo ovoje 316L za uporabo nad 650 stopinjami, morajo določiti skupni čas, porabljen v območju 600-750 stopinj, in ga primerjati z omejitvami, prikazanimi v diagramu TTT. Za 1000 do 2000 ur pri 700 stopinjah ali 5000 do 10000 ur pri 650 stopinjah je priporočljiva nadgradnja na 347 (stabilizirano z niobijem, ne tvori chi) ali nerjavno jeklo 310 (popolnoma avstenitno, z več kroma). Tukaj predlagani pristop povezuje volumski odstotek chi faze z merljivo izgubo žilavosti zaradi vpliva sobne temperature in omogoča kupcem, da vzpostavijo temperaturno-časovne omejitve, ki preprečujejo krhkost plaščev grelnikov 316L pri dolgotrajni uporabi pri visokih temperaturah.