Kako se volumni udio taloženja Chi (χ) faze na 700 stupnjeva tijekom dugo-uporabe 316L cijevi plašta grijača kontrolne temperature smanjuje na udarnu žilavost

Krta intermetalna faza nastala je na 600-800 stupnjeva

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 (duktilan) 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.

Mehanizam krtosti Chi faze

Faza χ ima kubičnu (BCC) strukturu s tjelesnim središtem s velikom jediničnom ćelijom (a≈ 8,9 Å) i bogata je molibdenom (obično 20-30% Mo) i kromom (25-35% Cr). Ponajprije se taloži na granicama zrna, kontaktima ferit-austenit i na inkluzijama. Faza je tvrda i krta i njezina prisutnost osigurava prikladne puteve za lom duž granica zrna. Za razliku od sigma faze, chi faza je jače sredstvo za krhkost jer se formira kao male, blisko raspoređene čestice koje čine kontinuiranu krtu mrežu pri manjim volumenskim udjelima. Maksimum se opaža na 700 stupnjeva i 1000-5000 sati starenja, ovisno o sadržaju molibdena. Standardni 316L (2,0-2,5% Mo) je osjetljiv; povećani molibden (2,5-3,0% Mo, blizu 317L) povećava stopu proizvodnje chija.

Kvantitativni odnos između toplinski{0}}tretiranog volumnog udjela i udarne žilavosti na 700 stupnjeva

Progresija krtosti određena kontroliranim starenjem cijevi od 316L na 700 stupnjeva (vrh chi faze TTT krivulje) s različitim vremenima starenja nakon čega je uslijedila kvantifikacija chi faze (difrakcija X-zraka, SEM) i Charpy V-test udarnog zareza na sobnoj temperaturi (20 stupnjeva).

Vrijeme starenja na 700 stupnjeva (h)Chi faza Volumni udio (%Chi Veličina čestica (nm) Energija utjecaja na mjestu padalina Sobna temperatura (J, Charpy V-zarez) Izgled površine loma Preporučuje se za upotrebu gdje 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 Wide, overage 5-10 Extremely fragile No
TTT dijagram za Chi fazu u 316L

TTT dijagram chi faze u 316L (2,3% Mo) pokazuje da se najbrže taloženje događa na 700 o C, a nos je oko 1000-2000 sati.

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
Utjecaj sadržaja molibdena na stopu oborine Chi

Veći molibden potiče taloženje chi faze. Niži molibden je dobar za rad na 700 stupnjeva.

Sadržaj molibdena (wt%) Vrijeme do 1,0% Chi na 700 stupnjeva (sati) Energija udarca nakon 2000 sati na 700 stupnjeva (J) Preporučena maksimalna temperatura za 10 000 sati životnog vijeka 2,0 (minimalno 316) 1500-2,500 30-60 650 stupanj 2,2 (tipično 316L) 1,000-1,800 25-50 640 stupanj 2,5 (maksimalno 316L) 600-1,000 15-35 620 stupanj 2,8 (približava se 317L) 300-600 10-25 600 stupanj 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 stupanj Praktične preporuke za 316L grijače plašteve pri servisu od 700 stupnjeva

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) za plašteve grijača 316L na ili oko 700 stupnjeva, primjenjiva su sljedeća servisna ograničenja.

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 (nije prihvatljivo)<600 310 or Inconel 600
Sve podložno termičkom ciklusu50% uštede vremena Iznad Prijeđi u sljedeći razred
KARAKTERIZACIJA KRI-FAZE KRTIVOSTI

Tri metode mjere krtost chi faze za grijače koji su radili na 600-750 stupnjeva. Prvo, ispitivanje tvrdoće. Tvrdoća se povećava sa 160-180 HV na 220-300 HV zbog razvoja chi faze. Druga je terenska metalografija (replika). Polirana i ugravirana površina viđena na 500-1000 može pokazati chi precipitate na granicama zrna. Treći je pojednostavljeni test udarca. Ako se dio grijača može ukloniti, Charpy test male veličine može procijeniti gubitak žilavosti. Difrakcija rendgenskih zraka (XRD) ili SEM/EDS je konačan način za izravnu identifikaciju chi faze.

Zaključak: Definirajte ograničenja usluge kako biste spriječili Chi krtost

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 (krti lom). Inženjeri koji određuju 316L omotače za rad iznad 650 stupnjeva trebaju odrediti ukupno vrijeme provedeno u području od 600-750 stupnjeva i usporediti ga s ograničenjima prikazanim na TTT dijagramu. Za 1000 do 2000 sati na 700 stupnjeva ili 5000 do 10000 sati na 650 stupnjeva preporučuje se nadogradnja na 347 (stabiliziran niobijem, ne stvara chi) ili 310 nehrđajući čelik (potpuno austenit, više kroma). Ovdje predloženi pristup povezuje postotak volumena chi faze s mjerljivim gubitkom žilavosti od utjecaja sobne temperature i omogućuje kupcima da uspostave temperaturno-vremenska ograničenja koja isključuju krtost plašta grijača 316L pri dugotrajnoj uporabi na visokim temperaturama.