Hoe regelt de volumefractie van G-fase (Ni₁₆Nb₆Si₇) neerslag in 347 verwarmingsmantel na 20.000 uur bij 600 graden de kamertemperatuur Charpy Impact Energy voor post-demontage en transport

De complexe silicidefase en het brosse effect van niobium-gestabiliseerd roestvrij staal

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%, wat een risico op barsten met zich meebrengt tijdens de demontage, behandeling en verzending na de service. Dit artikel kwantificeert het verband tussen Charpy-slagvastheid en de volumefractie van de G-fase na 20.000 uur bij 600 C.

Het mechanisme van de G--fase veroorzaakte verbrossing

De G--fase (Ni₁₆Nb₆Si₇) omvat ~50-60% Ni, 20-25% Nb en 10-15% Si per gewicht. Het slaat neer op de korrelgrenzen na lange veroudering bij 550-650 graden, voornamelijk in niobium-gestabiliseerde roestvaste staalsoorten (347, 348). De fase is hard (400-600 HV) en bros. Impacttests bij kamertemperatuur tonen aan dat scheuren ontstaan ​​bij deeltjes uit de G-fase en zich langs korrelgrenzen voortbewegen met weinig plastische vervorming. De verbrossing is subtiel: de hardheid kan slechts marginaal verbeteren (van 160-180 HV naar 190-220 HV), terwijl de slagvastheid aanzienlijk afneemt. De G-fase wordt gewoonlijk buiten beschouwing gelaten vanwege de langere verouderingsduur (10,000+ uur) en de bijzondere niobium-silicium-paren.

Gekwantificeerde relatie tussen G--fasevolumefractie en Charpy-impactenergie

Het verbrossingsproces van 347 buizen (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) verouderd bij 600 graden gedurende maximaal 25.000 uur wordt bepaald door G--fasekwantificering met SEM/EDS en Charpy V-kerfslagtesten bij 25 graden.

Verouderingstijd bij 600 graden (uur) G-Fasevolumefractie (%)G-Fase Deeltjesgrootte (nm) Locatie van neerslag Charpy Impactenergie bij 25 graden (J) Breukuiterlijk Aanbevolen voor post-Afhandeling na service (demontage, transport)
0 (gegloeid) 0 N.v.t. Geen 200-240 Nodulair (100% afschuiving) Ja 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 Continu + intragranulair 30-50 Zeer bros Nee 25,000 1.30-1.70 100-150 Uitgebreid, geconsolideerd 20-35 Extreem bros Nee
Invloed van silicium en niobium op de G--faseneerslag

De G--fase heeft niobium en silicium nodig. Minder silicium en minder niobium vertragen de neerslag in de G--fase.

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 Ja 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Acceptabel (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Niet aanbevolen 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Nee 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Geen praktische aanbevelingen voor 347 verwarmingsmantels op 600 graden met postservice Behandeling

De volgende G--fasebeperkingen en materiaalparameters bieden de juiste taaiheid om scheuren bij het hanteren te voorkomen voor 347 ingekapselde verwarmingselementen die na 20.000 uur bij 600 graden worden verwijderd, gedemonteerd, getransporteerd of weggegooid.

Activiteit na service gewenstMinimale Charpy-impact voor veilig gebruik (J) Maximaal toegestane G-Fase (%) Max. Silicium (gew.%)Maximaal niobium (gew.%)}Aanbevolen levensduurlimiet (uren)
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-Bevestiging faseverbrossing

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 voor veilig hanteren De tweede is het testen van de hardheid: G-fase verhoogt de hardheid van 160-180 HV naar 190-220 HV (matig). Ten derde is er metallografisch onderzoek (SEM/EDS) voor detectie van de G--fase (heldere, blokvormige deeltjes aan korrelgrenzen met Ni-Nb-Si-samenstelling). Een eenvoudige veldtest is het buigen van een kleine coupon. Als het splijt wanneer het 90 graden wordt gebogen over een straal van 10 mm, is verbrossing ernstig.

Conclusie: Gebruik Low Si + Low Nb om G--fase-verbrossing tijdens post-serviceafhandeling te voorkomen

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 tot 45-65 J (bros) waardoor er een groot risico op barsten ontstaat tijdens demontage na gebruik, het hijsen van een kraan of het transport. De opgegeven 347 schedes moeten worden meegeleverd<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.