Як змінюється розмір зерна попереднього аустеніту в трубці оболонки нагрівача з нержавіючої сталі 316, що контролює швидкість зародження кавітації під час повзучості при 550 градусах

Зерногранична щільність як фактор повзучості

Для електричних нагрівальних трубок із оболонкою з нержавіючої сталі 316, що працюють при підвищених температурах (550 градусів, типово для високотемпературного повітряного або газового нагрівання), попередній розмір зерна аустеніту, виражений як число розміру зерна ASTM (G), є основною мікроструктурною змінною, що контролює швидкість зародження кавітації повзучості. Дрібно{3}}матеріал (ASTM G=8-10, діаметр зерна 15-25 мкм) має більшу площу меж зерен на об’єм, ніж крупнозернистий матеріал (ASTM G=3-5, діаметр зерна 50-80 мкм). Хоча дрібні зерна демонструють вищу межу текучості при нормальній температурі, вони показують швидке зародження кавітації повзучості при підвищенні температури, оскільки межі зерен є кращими місцями для утворення порожнин. Грубозернистий 316 (ASTM G=4-5) має термін повзучості в 3-5 разів довший при 550 градусах, ніж дрібнозернистий матеріал за аналогічного навантаження та температури.
Перефразуйте речення

Повернутися до вихідного речення

Скопіюйте речення

Жодних пропозицій

У цьому дослідженні оцінюється взаємозв’язок між розміром зерен ASTM, швидкістю зародження кавітації та стійкістю до розриву при повзучості для 316 оболонок, а також пропонується структура специфікацій для використання при високих -температурах.

Ініціація тріщин через кавітацію меж зерен під час повзучості

Основним механізмом деформації повзучості нержавіючої сталі 316 при 550 градусах є ковзання по межі зерна. Ковзання сусідніх зерен повз одне одного викликає концентрацію напруги в потрійних точках і в частинках другої фази (карбіди, включення) через геометричні несумісності, які утворюють порожнечі. Швидкість зародження обернено пропорційна розміру зерна; чим менший розмір зерна, тим більша кількість граничних з'єднань зерна на одиницю об'єму і, таким чином, більша кількість можливих місць зародження. Після зародження порожнечі розширюються за рахунок дифузії вакансій уздовж меж зерен (повзучість Кобла) і повзучість навколишньої матриці за степеневим -законом. Загальний термін повзучості – це сума часу для утворення критичної популяції порожнин (зазвичай 5-10% частки площі порожнинної межі) і часу, протягом якого ці порожнини об’єднуються в тріщину. Більша гранична щільність також передбачає більше центрів зародження, тому критичний відсоток порожнин може бути досягнутий раніше для дрібнозернистих матеріалів, незважаючи на нижчу швидкість росту на порожнину через меншу довжину дифузії.

Кількісна кореляція між розміром зерна ASTM і терміном повзучості при 550 градусах

Випробування на повзучий розрив труби 316 із контрольованими розмірами зерен (шляхом регулювання часу відпалу розчину та температури) при 550 градусах і прикладеній напрузі 100 МПа (типове кільцеве напруження від обмеження теплового розширення) встановило наступні залежності.

Розмір зерна ASTM (G) Діаметр зерна (мкм) Площа межі зерна на мм3 (мм2/мм3) Час до 1% кавітованої граничної площі (годин, 550 градусів, 100 МПа) Стійкість до повзучості (h, 550 градусів, 100 МПа) Відносна стійкість до повзучості (базова лінія G=4) Рекомендовано для 550 ступінь Обслуговування 10 (дуже високий) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Ні 8-9 (високий) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Не рекомендовано 7-8 (середній-високий) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Граничний 6-7 (середній) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Прийнятно для переривчастого
5-6 (середньо-грубий) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× рекомендовано
4-5 (грубий) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Ідеальний для поточного обслуговування
3-4 (грубо) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Прийнятно, але нижча пластичність
Вплив розміру зерна та розподілу карбіду

Стійкість до кавітації повзучості крупнозернистого 316 критично залежить від наявності як внутрішньозернистих карбідів, так і карбідів на межах зерен. Швидкість охолодження під час розчинного відпалу, що створює дрібні внутрішньозернисті карбіди (M 23 C 6 , MC), забезпечує дисперсійне зміцнення внутрішньої частини зерна, мінімізуючи повзучість матриці. Повільні швидкості охолодження призводять до грубих суцільних карбідів на межах зерен, які зменшують термін повзучості через сприятливі місця зародження порожнин. Ідеальною мікроструктурою для повзучості при 550 градусах є грубе зерно (ASTM G=4-6) з тонкою дисперсією внутрішньозернистих карбідів і розривних карбідів по межах зерен. Мікроструктура: розчин, відпалений при 1040-1060 C, помірно охолоджений (примусове повітря, а не вода), потім стабілізаційний відпал при 850-900 C протягом 2-4 годин. Стабілізаційний відпал осаджує карбіди контрольованим способом без сенсибілізації (для 316L або стабілізованих марок).

Специфікація розміру зерен для використання у високотемпературних нагрівачах

Виходячи з розрахункового терміну служби, пропонується наступний стандарт розміру зерен для 316 обігрівачів з оболонкою для безперервної роботи при температурі оболонки 550 градусів (температура внутрішньої стінки).

Бажаний термін служби при 550 C (годин) Мінімальний розмір зерна ASTM (нижче число=грубіше) (ASTM) максимальний розмір зерна (більше число=менше) Рекомендована термічна обробка<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
Перевірка розміру зерна та пошкодження від повзучості 10 000-20,000 4 (мінімальна крупність) 5 Високотемпературний відпал (1100 градусів) + повільне охолодження

Високотемпературні робочі нагрівачі. Розмір зерна можна визначити за допомогою металографічного аналізу поперечного-зрізу після травлення гліцерином (15 мл HCl, 10 мл гліцерину, 5 мл HNO3). Число розміру зерен ASTM отримується шляхом порівняння зі стандартними діаграмами відповідно до ASTM E112 . Пошкодження від повзучості (маленькі чорні плями (порожнини) на межах зерен при збільшенні 500-1000x) зазвичай виникають, коли 50-60% ресурсу повзучості вичерпано. Для крупнозернистого (G=5) нагрівача порожнини спостерігаються через ~4000-6000 годин із 8000 годин служби. Для дрібнозернистого матеріалу (G=8) порожнини видно приблизно через 200-400 годин, пропонуючи значно менше уваги до розриву. Періодичний відбір проб (один нагрівач на партію на рік) для металографічної оцінки фракції кавітації дає прогнозні дані щодо технічного обслуговування основних нагрівачів.

Розгляд розміру зерна для зварних і гнутих компонентів

Вимоги до розміру зерна повинні бути оцінені щодо зварювання та згинання торцевої кришки. Зварювання створює зону теплового впливу з дрібним зерном (ASTM G=9-11) уздовж лінії зварювання. За високої температури ця дрібно{3}}зерниста зона може бути вразливою зоною для кавітації повзучості. У разі нагрівачів, що працюють при температурі вище 500 градусів, зона зварювання може бути переважно пошкодженою, навіть якщо розмір зерна основного металу є грубим. Одним із способів пом’якшення є виконання-відпалу розчину після зварювання, який укрупнює зерна ЗТВ. Це може бути неможливим. Альтернативою є використання більш стійкого до повзучості сплаву, такого як нержавіюча сталь 310 або інконель 600, для всього нагрівача, який усуне залежну від розміру зерна змінність терміну повзучості.

Висновок: Специфікація грубого зерна для високотемпературної повзучості

Для нагрівачів із корпусом з нержавіючої сталі 316 при 550 градусах попередній розмір зерна аустеніту є керуючим фактором для швидкості зародження кавітації повзучості та, отже, загального терміну служби при розриві повзучості. Зародження кавітації відбувається в 3-5 разів швидше в дрібнозернистому матеріалі (ASTM G=8-10), ніж у грубозернистому матеріалі (ASTM G=4-5), причому термін повзучості скорочується з 10 000 годин до 2000 годин за тих самих навантажень і температури. Інженери повинні вказати G=5 або G=6, перевірені металографією ASTM E112, для максимального розміру зерен ASTM (більш грубі зерна) для 316 оболонок для постійного використання при високих температурах. Описана методологія пов’язує розмір зерна з кількісно визначеними показниками кавітації та терміном служби на розрив, що дає змогу покупцям вибрати трубку з оболонкою 316 із найкращою стійкістю до руйнування під час повзучості в умовах високої температури.