Kako volumski delež padavin G-faze (Ni₁₆Nb₆Si₇) v ovoju grelnika 347 po 20.000 urah pri 600 stopinjah nadzoruje sobno temperaturo Charpy udarno energijo za post-servisno demontažo in transport

Kompleksna silicidna faza in učinek krhkosti nerjavečega jekla,-stabiliziranega z niobijem

Precipitation of G-phase (Ni 16 Nb 6 Si 7 ), a complex nickel-niobium-silicide intermetallic phase, can cause significant embrittlement, as measured by room temperature Charpy V-notch impact energy, for 347 stainless steel (Nb-stabilized) sheathed electric heating tubes operating at 600 C for extended periods (20,000+ hours)-such as in long-term industrial furnace heaters, petrochemical reformer tubes or superheater supports. The G-phase is formed at lower temperatures (550-650°C) during very lengthy ageing times (10,000-30,000 hours) while chi (χ) and Laves phases form at higher temperatures (650-750°C). G-phase is brittle with face centred cubic (FCC) structure and is mostly formed at the grain boundaries. G-phase at volume fractions as low as 0.2-0.5% reduces impact energy from >200 J (ductile) to 100-150 J (acceptable). At 1.0-1.5 vol% the impact energy is reduced only to 50-80 J. Impact energy drops to below 40 J (brittle) at >2,0-2,5%, kar predstavlja tveganje za razpoke med razstavljanjem, rokovanjem in pošiljanjem po servisu. Ta članek kvantificira povezavo med Charpyjevo udarno žilavostjo in volumskim deležem faze G po 20.000 urah pri 600 C.

Mehanizem G-faze povzročene krhkosti

Faza G- (Ni₁₆Nb₆Si₇) vključuje ~50-60 % Ni, 20-25 % Nb in 10-15 % Si glede na maso. Izloča se na mejah zrn po dolgem staranju pri 550-650 stopinjah, predvsem v nerjavnih jeklih, stabiliziranih z niobijem (347, 348). Faza je trda (400-600 HV) in krhka. Preizkušanje udarca pri sobni temperaturi kaže, da razpoke nastajajo pri delcih G-faze in potujejo vzdolž meja zrn z malo plastične deformacije. Krhkost je subtilna: trdota se lahko le malo izboljša (s 160-180 HV na 190-220 HV), medtem ko se udarna žilavost znatno zmanjša. G-faza se običajno ne upošteva zaradi podaljšanega trajanja staranja (10,000+ ur) in posebnih parov niobij-silicij.

Kvantificirano razmerje med volumskim deležem G-faze in Charpyjevo udarno energijo

Postopek krhkosti cevi 347 (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C), staranih pri 600 stopinjah do 25.000 ur, je določen s kvantificiranjem faze G- s SEM/EDS in udarnim preskusom Charpy V-zareze pri 25 stopinjah.

Čas staranja pri 600 stopinjah (ur) G-fazni volumski delež (%)G-faza Velikost delcev (nm) Lokacija padavin Charpyjeva udarna energija pri 25 stopinjah (J) Videz loma Priporočljivo za ravnanje po-servisih (razstavljanje, transport)
0 (žarjeno) 0 N/A Brez 200-240 Duktilen (100 % strig) Da 5,000 0.05<20 Intragranular (sparse) 190-220 DuctileYes 10,000 0.05-0.10 20-40 Grain boundaries (few) 160-190 DuctileYes 12,000 0.10-0.20 30-50 Grain boundaries (scattered) 130-160Mixed (some cleavage) Yes 14,000 0.20-0.35 40-60 Partial grain borders 100-130 Mixed Acceptable 16,000 0.35-0.50 50-70 Near-continuous grain boundaries 80-100 Mixed-brittle Marginal 18,000 0.50-0.70 60-80 Continuous grain boundaries 60-80 Brittle (cleavage)Not recommended 20,000 0.70-1.00 70-10045-65 Brittle continuous netNo (high risk when handled)
22,000 1.00-1.30 80-120 Kontinuirano + intragranularno 30-50 Zelo krhko Ne 25,000 1.30-1.70 100-150 Obsežno, konsolidirano 20-35 Izjemno krhko Ne
Vpliv silicija in niobija na izločanje G{0}}faze

Faza G- potrebuje niobij in silicij. Manj silicija in manj niobija upočasni obarjanje G-faze.

Silicon (wt%) Niobium (wt%) Time to 0.7% G-Phase at 600°C (h) Charpy Impact after 20,000h at 600°C (J)Recommended for 20,000h Service with Post Service Handling 0.20 0.40 >25,000 120-160 Da 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Sprejemljivo (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Ni priporočljivo 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Ne 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Ni praktičnih priporočil za 347 grelne ovoje pri 600 stopinj z rokovanjem po pošti

Naslednje omejitve faze G- in parametri materiala zagotavljajo ustrezno žilavost za preprečevanje pokanja pri rokovanju za 347 zaprtih grelnikov, ki bodo odstranjeni, razstavljeni, prepeljani ali zavrženi po 20.000 urah pri 600 stopinjah.

Zaželena dejavnost po servisiranju Najmanjši Charpyjev vpliv za varno rokovanje (J) Največja dovoljena G-faza (%) Maks. Silicij (masni %) Največ niobija (masni %} Priporočena omejitev življenjske dobe (ure)
Removal and disposal (no impact loading) >30 1.3 0.50 0.45 25000
Removal with crane lifting >50 0.9 0.45 0.45 18000
Dismantling (cutting, welding) >70 0,6 0,40 0,40 15 000
Re-use or Refurbishment >100 0.3 0.35 0.40 12,000
Critical handling (people nearby) >120 0.2 0.30 0.40 10 000
G-Potrditev krhkosti faze

Three approaches are used to evaluate G-phase embrittlement for heaters retired after long-term service at 600°C. The first is Charpy impact testing on a deleted sample (if available). Acceptance: >50 J za varno rokovanje Drugo je testiranje trdote: G-faza poveča trdoto s 160-180 HV na 190-220 HV (zmerno). Tretja je metalografska preiskava (SEM/EDS) za detekcijo G-faze (svetli, kockasti delci na mejah zrn s sestavo Ni-Nb-Si). Preprost preizkus na terenu je upogniti majhen kupon. Če se pri upogibanju za 90 stopinj v polmeru 10 mm razcepi, je krhkost resna.

Zaključek: uporabite nizko Si + nizko Nb, da preprečite krhkost G-faze med-ravnanjem po servisu

For 347 stainless steel heater sheaths after 20,000 h at 600°C, G-phase (Ni16Nb6Si7) precipitation at volume fractions as low as 0.7-1.0% decreases room temperature Charpy impact energy from >200 J do 45-65 J (krhko), kar povzroča veliko nevarnost pokanja med demontažo po servisu, dvigovanjem z žerjavom ali transportom. Navedeni 347 ovoji morajo vključevati<0.35% silicon and <0.40% niobium to reduce G-phase to <0.5% after 20,000 hours for the recommended 20,000 hour service at 600°C with expected post-service handling. For service beyond 15,000-18,000 hours, it is recommended to upgrade to 310 stainless steel (which does not create G-phase) or Inconnel 600. The current system allows the buyers to define 347 chemical limits to avoid brittle failure during retirement and handling of long-service heater sheaths, by correlating G-phase volume fraction after 20,000 hours at 600°C to Charpy impact energy reduction.