Kako volumni udio taloženja G-faze (Ni₁₆Nb₆Si₇) u omotaču grijača 347 nakon 20 000 sati na 600 stupnjeva kontrolira Charpyjevu energiju sobne temperature za demontažu i transport nakon-usluge

Složena silicidna faza i učinak krtosti nehrđajućeg čelika-stabiliziranog 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%, što predstavlja rizik od pucanja tijekom rastavljanja, rukovanja i transporta nakon usluge. Ovaj članak kvantificira vezu između udarne žilavosti po Charpyju i volumnog udjela G faze nakon 20 000 sati na 600 C.

Mehanizam krtosti izazvane G{0}}fazom

G-faza (Ni₁₆Nb₆Si₇) uključuje ~50-60% Ni, 20-25% Nb i 10-15% Si po težini. Taloži se na granicama zrna nakon dugog starenja na 550-650 stupnjeva, uglavnom u nehrđajućem čeliku stabiliziranom niobijem (347, 348). Faza je tvrda (400-600 HV) i krta. Ispitivanje utjecaja na sobnoj temperaturi pokazuje da pukotine nukleiraju na česticama G-faze i putuju duž granica zrna s malom plastičnom deformacijom. Krtost je suptilna: tvrdoća se može samo neznatno poboljšati (sa 160-180 HV na 190-220 HV), dok se udarna žilavost znatno smanjuje. G-faza se obično zanemaruje zbog produljenog trajanja starenja (10,000+ sati) i posebnih parova niobij-silicij.

Kvantificirani odnos između volumnog udjela G-faze i Charpyjeve energije udara

Proces krtosti cijevi 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) starenih na 600° stupnjeva do 25 000 sati određen je kvantificiranjem G-faze sa SEM/EDS i Charpy V-testiranjem na udar na 25°.

Vrijeme starenja na 600 stupnjeva (sati) G-Faza Volumni udio (%)G-Faza Veličina čestice (nm) Mjesto taloženja Charpy Energija udara na 25 stupnjeva (J) Izgled loma Preporučuje se za rukovanje nakon-usluge (rastavljanje, transport)
0 (žareno) 0 N/A Ništa 200-240 Duktilno (100% smicanje) 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 Vrlo krto Ne 25,000 1.30-1.70 100-150 Ekstenzivno, konsolidirano 20-35 Izuzetno krto Ne
Utjecaj silicija i niobija na taloženje G{0}}faze

G-faza treba niobij i silicij. Manje silicija i manje niobija usporava taloženje 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. 600 stupnjeva s rukovanjem poštom

Sljedeća ograničenja G-faze i parametri materijala osiguravaju odgovarajuću žilavost kako bi se spriječilo pucanje pri rukovanju za 347 zatvorenih grijača koji će biti uklonjeni, rastavljeni, transportirani ili odbačeni nakon 20 000 sati na 600 stupnjeva.

Željena aktivnost nakon usluge Minimalni Charpyjev utjecaj za sigurno rukovanje (J) Maksimalno dopuštena G-faza (%) Maks. Silicij (wt%) Maksimalno niobij (wt%}) Preporučeno ograničenje radnog vijeka (sati)
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-potvrda krtosti 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 sigurno rukovanje Drugo je ispitivanje tvrdoće: G-faza podiže tvrdoću sa 160-180 HV na 190-220 HV (umjereno). Treće je metalografsko istraživanje (SEM/EDS) za detekciju G-faze (svijetle, blokovite čestice na granicama zrna sastava Ni-Nb-Si). Jednostavan terenski test je savijanje malenog kupona. Ako se rascijepi kada se savije za 90 stupnjeva preko polumjera od 10 mm, krtost je ozbiljna.

Zaključak: koristite nizak Si + nizak Nb kako biste izbjegli krtost G-faze tijekom post-rukovanja

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) stvara veliku opasnost od pucanja tijekom rastavljanja nakon servisa, podizanja kranom ili transporta. Navedenih 347 omotača mora uključivati<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.