Kako volumni udio G-faze (Ni₁₆Nb₆Si₇) precipitacije u omotaču grijača 347 nakon 20.000 sati na 600 stepeni kontrolira sobnu temperaturu Charpyjevu udarnu energiju za naknadno-uslužno rastavljanje i transport

Složena silicidna faza i efekat krhkosti niobijem-stabiliziranog nehrđajućeg čelika

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 opasnost od pucanja tokom demontaže, rukovanja i otpreme nakon servisa. 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-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 stepeni, uglavnom u nerđajućim čelicima stabilizovanim niobijem (347, 348). Faza je tvrda (400-600 HV) i krta. Ispitivanje uticaja na sobnoj temperaturi pokazuje da pukotine nastaju na česticama G-faze i putuju duž granica zrna uz malu plastičnu deformaciju. Krtost je suptilna: tvrdoća se može neznatno poboljšati (sa 160-180 HV na 190-220 HV), dok se udarna žilavost značajno smanjuje. G-faza se obično zanemaruje zbog produženog trajanja starenja (10,000+ sati) i određenih uparivanja niobijum-silicijum.

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

Proces krtosti cijevi 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) stare na 600Â stepeni u trajanju do 25,000 sati određen je kvantifikacijom G-faze sa SEM/EDS i Charpy V-testiranjem na udar u zarezu 25Â.

Vrijeme starenja na 600 stepeni (sati) G-Faza Volumenski udio (%)G-Faza Veličina čestica (nm) Lokacija padavina Šarpijeva energija udara na 25 stepeni (J) Izgled loma Preporučuje se za rukovanje nakon-usluga (demontaža, 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 Veoma krhko Ne 25,000 1.30-1.70 100-150 Ekstenzivno, konsolidovano 20-35 Izuzetno krto Ne
Utjecaj silicija i niobija na taloženje G-faze

G-fazi su potrebni niobijum i silicijum. Manje silicijuma i manje niobijuma usporavaju 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 >25,000 120-160 Da 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Prihvatljivo (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Nije preporučljivo 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Ne 0.80 0.55 6,000-10,{{13} Ne preporučuje se 600 stepeni sa Post Service Handling

Sljedeća ograničenja G-faze i parametri materijala obezbjeđuju odgovarajuću žilavost kako bi se spriječilo rukovanje lomljenjem za 347 grijača u kućištu koji će biti uklonjeni, rastavljeni, transportovani ili odbačeni nakon 20.000 sati na 600 stepeni.

Željena aktivnost nakon usluge Minimalni Charpy uticaj za bezbedno rukovanje (J) Maksimalno dozvoljeni G-Faza (%) Maks. Silicijum (wt%) Maksimalni 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 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 sigurno rukovanje Drugo je ispitivanje tvrdoće: G-faza podiže tvrdoću sa 160-180 HV na 190-220 HV (umjereno). Treće je metalografsko ispitivanje (SEM/EDS) za detekciju G-faze (svijetle, kockaste čestice na granicama zrna sa Ni-Nb-Si sastavom). Jednostavan test na terenu je savijanje malog kupona. Ako se rascijepi kada se savije za 90 stepeni u radijusu od 10 mm, krhkost je ozbiljna.

Zaključak: Koristite Niski Si + Niski Nb da biste izbjegli G-fazno krhkost tokom post-usluga

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 (krto) stvara veliku opasnost od pucanja tokom postuslužnog rastavljanja, podizanja kranom ili transporta. Navedeno 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.