Kako se broj veličine zrna prethodnog austenita u cijevi plašta grijača od nehrđajućeg čelika 316 kontrolira puzanjem, brzinom nukleacije kavitacije na 550 stupnjeva

Gustoća granica zrna kao čimbenik vijeka puzanja

Za električne grijaće cijevi obložene nehrđajućim čelikom 316 koje rade na povišenim temperaturama (550 stupnjeva, tipično za visokotemperaturne primjene grijanja zraka ili plina), prethodna veličina zrna austenita izražena kao broj veličine zrna ASTM (G) primarna je mikrostrukturna varijabla koja kontrolira brzinu nukleacije puzajuće kavitacije. Fino{3}}materijal (ASTM G=8-10, promjer zrna 15-25 µm) ima veću površinu granica zrna po volumenu nego krupnozrnati materijal (ASTM G=3-5, promjer zrna 50-80 µm). Iako fina zrna pokazuju veću granicu tečenja na normalnoj temperaturi, ona pokazuju bržu nukleaciju kavitacije puzanja na rastućim temperaturama jer su granice zrna poželjna mjesta za stvaranje šupljina. Krupnozrnati 316 (ASTM G=4-5) ima vijek puzanja 3-5 puta duži na 550 stupnjeva od sitnozrnatog materijala pri sličnom opterećenju i temperaturi.
Preformulirajte rečenicu

Vrati na izvornu rečenicu

Kopiraj rečenicu

Nema prijedloga

Ova studija procjenjuje odnos između ASTM broja veličine zrna, brzine nukleacije kavitacije i vijeka puzajućeg pucanja za 316 omotača i predlaže okvir specifikacije za upotrebu na visokim-temperaturama.

Pokretanje pukotine putem kavitacije granica zrna tijekom puzanja

Glavni mehanizam deformacije puzanjem nehrđajućeg čelika 316 na 550 stupnjeva je klizanje granica zrna. Klizanje susjednih zrna jedno pokraj drugog uzrokuje koncentracije naprezanja na trostrukim točkama i na česticama druge faze (karbidi, inkluzije) zbog geometrijskih nekompatibilnosti, koje stvaraju šupljine. Brzina nukleacije obrnuto je proporcionalna veličini zrna; što je manja veličina zrna, to je veći broj spojeva granica zrna po jedinici volumena, a time i veći broj mogućih mjesta nukleacije. Jednom kada se nukleiraju, šupljine se šire difuzijom praznina duž granica zrna (Cobleovo puzanje) i puzanjem okolne matrice po-zakonu snage. Ukupni vijek trajanja puzanja zbroj je vremena potrebnog za stvaranje kritične populacije šupljina (obično 5-10% udjela površine kavitirane granice) i vremena potrebnog za spajanje tih šupljina u pukotinu. Veća granična gustoća također podrazumijeva više mjesta nukleacije, tako da se kritični postotak šupljina može postići ranije za sitnozrnate materijale unatoč sporijoj stopi rasta po šupljini zbog kraćih duljina difuzije.

Kvantitativna korelacija između ASTM veličine zrna i vijeka puzanja na 550 stupnjeva

Ispitivanje pucanja puzanjem cijevi 316 s kontroliranom veličinom zrna (podešavanjem vremena žarenja otopine i temperature) na 550 stupnjeva i primijenjenom naprezanju od 100 MPa (tipično za obručno naprezanje zbog ograničenja toplinske ekspanzije) utvrdilo je sljedeće odnose.

ASTM Broj veličine zrna (G) Promjer zrna (µm) Granična površina zrna po mm3 (mm2/mm3) Vrijeme do 1% kavitirane granične površine (sati, 550 stupnjeva, 100 MPa) Trajnost puzanja (h, 550 stupnjeva, 100 MPa) Relativni vijek puzanja (G=4 osnovna linija) Preporučeno za 550 stupanj Usluga 10 (vrlo 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× Ne preporučuje se 7-8 (srednje dobro) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Marginalno 6-7 (srednje) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Prihvatljivo za povremene
5-6 (srednje grubo) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Preporučeno
4-5 (grubo) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Idealno za stalni servis
3-4 (grubo) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Prihvatljivo, ali niža duktilnost
Utjecaj veličine zrna i raspodjele karbida

Otpornost kavitacije puzanja krupnozrnatog 316 kritično ovisi o prisutnosti i intragranularnih karbida i karbida na granici zrna. Brzina hlađenja tijekom žarenja u otopini koja stvara fine, intragranularne karbide (M 23 C 6 , MC) osigurava precipitacijsko ojačavanje unutrašnjosti zrna, minimizirajući puzanje matrice. Spore stope hlađenja rezultiraju grubim, kontinuiranim karbidima s granicama zrna, koji smanjuju vijek puzanja zbog svojih povoljnih mjesta nukleacije šupljina. Idealna mikrostruktura za uslugu puzanja na 550 stupnjeva su gruba zrna (ASTM G=4-6) s finom disperzijom intragranularnih karbida i diskontinuiranih karbida na granicama zrna. Mikrostruktura: Otopina žarena na 1040-1060 C, umjereno ohlađena (prisilni zrak, ne gašenje vodom), zatim stabilizacija žarena na 850-900 C 2-4 sata. Stabilizacijsko žarenje taloži karbide na kontrolirani način bez senzibilizacije (za 316L ili stabilizirane kvalitete).

Specifikacija veličine zrna za upotrebu u visokotemperaturnim grijačima

Na temelju procijenjenog radnog vijeka, sljedeći standard veličine zrna predlaže se za 316 obložene grijače za kontinuirani rad pri temperaturi plašta od 550 stupnjeva (temperatura unutarnje stijenke).

Željeni vijek trajanja na 550 C (sati) Minimalna ASTM veličina zrna (manji broj=grublji) (ASTM) maksimalna veličina zrna (veći broj=manji) Preporučena toplinska obrada<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
Validacija polja veličine zrna i oštećenja od puzanja 10,000-20,000 4 (minimalna grubost) 5 Žarenje na visokoj temperaturi (1100 stupnjeva) + sporo hlađenje

Visokotemperaturni radni grijači. Veličina zrna može se odrediti metalografskom analizom poprečnog-presjeka, nakon jetkanja s gliceregom (15 mL HCl, 10 mL glicerola, 5 mL HNO3). ASTM broj veličine zrna dobiva se usporedbom sa standardnim dijagramima prema ASTM E112 . Oštećenje puzanjem kavitacijom (male crne točke (šupljine) na granicama zrna pri povećanju od 500-1000x) obično se događa kada je 50-60% vijeka puzanja iscrpljeno. Za grubozrnati (G=5) grijač, šupljine se uočavaju na ~4000-6000 sati od 8000 sati života. Za sitnozrnati materijal (G=8), šupljine su vidljive oko 200-400 sati, nudeći znatno manje uočavanja prije pucanja. Periodično uzorkovanje (jedan grijač po šarži godišnje) za metalografsku procjenu udjela kavitacije daje podatke o prediktivnom održavanju za ključne grijače.

Razmatranje veličine zrna za zavarene i savijene komponente

Zahtjevi za veličinu zrna bit će ocijenjeni s obzirom na zavarivanje i savijanje čepova. Zavarivanjem se stvara zona pod utjecajem topline s finim zrnima (ASTM G=9-11) duž linije spajanja zavara. Na visokoj temperaturi ova fino{3}}zrnasta zona može biti ranjivo područje za kavitaciju puzanja. U slučaju grijača koji rade iznad 500 stupnjeva, zona zavarivanja može biti ponajprije oštećena čak i dok je veličina zrna osnovnog metala gruba. Jedno od ublažavanja je izvođenje žarenja otopinom nakon -zavarivanja, koje zrna ZUT-a postaje grublja. Ovo možda nije izvedivo. Alternativa je korištenje legure otpornije na puzanje kao što je nehrđajući čelik 310 ili Inconel 600 za cijeli grijač koji će ukloniti varijabilnost vijeka puzanja koja ovisi o veličini zrna.

Zaključak: Specifikacija grubih zrna za otpornost na puzanje pri visokim temperaturama

Za grijače s kućištem od nehrđajućeg čelika 316 na 550 stupnjeva, prethodni broj veličine zrna austenita je kontrolni čimbenik za brzinu nukleacije kavitacije puzanjem, a time i ukupni vijek trajanja puzanja. Nukleacija kavitacije je 3-5 puta brža u sitnozrnatom materijalu (ASTM G=8-10) nego u krupnozrnatom materijalu (ASTM G=4-5) s vijekom puzanja smanjenim s 10 000 sati na 2000 sati pri istom naprezanju i temperaturi. Inženjeri će specificirati G=5 ili G=6, potvrđeno metalografijom ASTM E112, za najveći ASTM broj veličine zrna (krupnija zrna) za 316 omotača za kontinuiranu upotrebu na visokim temperaturama. Opisana metodologija povezuje veličinu zrna s mjerljivim stopama kavitacije i životnim vijekom pucanja, omogućujući kupcima odabir cijevi s plaštem od 316 s najboljom otpornošću na slom puzanja u primjenama na visokim temperaturama.