Як об’ємна частка опадів Z-фази (CrVN) у трубках оболонки нагрівача 347 після 50 000 годин роботи при 600 градусах контролює зниження -тривалої міцності на розрив при повзучості

Комплексна нітридна фаза та її деградація повзучих властивостей

Осадження Z-фази (CrVN, комплексний нітрид хром-ванадію) може відбуватися у випадку електричних нагрівальних трубок з нержавіючої сталі 347 (стабілізованої Nb-), які працюють при 600 градусах протягом дуже тривалого часу (50000+ годин), як-от у -промислових трубах промислових печей із тривалим терміном служби або пароперегрівачах електростанцій, особливо коли ванадій присутній як залишковий елемент (зазвичай 0,10-0,20% V). На відміну від NbC, який демонструє стабільне зміцнення, Z-фаза спочатку виділяється у вигляді дрібних частинок (10-30 нм), які сприяють опору повзучості, але після 20 000-30 000 годин при 600° Z-фаза грубіє (до 100-500 нм), а також споживає ванадій і азот, дестабілізуючи інші зміцнюючі опади. Кінцевим результатом після 50 000 годин є втрата міцності на розрив повзучості на 30-50% порівняно з матеріалом, що не містить ванадію. Нижче 0,05% V генерація Z-фази незначна, а міцність на повзучість є стабільною. У цій роботі кількісно визначено кореляцію між вмістом залишкового ванадію та об’ємною часткою Z-фази після 50 000 годин при 600 градусах і втратою міцності на розрив при повзучості.

Механізм крихкості Z-фази

Z-фаза (CrVN) – тетрагональна сполука, що складається з хрому, ванадію та азоту. Випадає близько 500{4}}700 градусів. Z-фаза укрупнюється завдяки дозріванню Оствальда протягом тривалого старіння. Зростання частинок Z-фази споживає матричний ванадій (утворюючи VC) та азот (утворюючи Cr 2 N або NbN). Міцність до повзучості знижується через розм’якшення матриці та наявність великих крихких частинок Z-фази. Цей вплив найбільш чітко видно через 30 000-50 000 годин, коли розмір частинок Z-фази перевищує 200-300 нм.

Кількісні залежності вмісту ванадію, об’ємної частки Z-фази та межі повзучості

Контрольоване довготривале-старіння труб 347 (0,45% Nb, 0,06% C, 0,08% N) із різним вмістом залишкового ванадію при 600 градусах протягом 50 000 годин і наступні випробування на розрив повзучості при 600 градусах і 80 МПа визначили наступні втрати міцності.

Вміст ванадію (мас.%) Z-Об’ємна частка фази після 50 000 год при 600 градусах (%)Z-Розмір частинок фази після 50 000 год (нм) Міцність до повзучості при 600 градусах, 80 МПа (год) Міцність до повзучості у V-вільній базовій лінії Рекомендовано для 50 000 годин обслуговування при 600 градусах<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Вплив Nb і N на утворення Z-фази

Більша кількість ніобію стабілізує NbN і NbCN і зменшує Z-фазу. Більший вміст азоту прискорює Z-фазу.

Маса % Ніобій Маса % Маса азоту Маса % ВанадійZ-фаза об’ємної частки після 50 000 годин (%) Тривалість руйнування повзучістю (годин) Рекомендовано для 50 000 годин служби 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000-22,000 Прийнятно 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000-24 000 Прийнятно 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26 000 Так 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18 000 Гранична 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22 000 Прийнятні практичні рекомендації для 50 000-годинного обслуговування при 600 градусах

Обмеження щодо ванадію та ніобію для обігрівачів із оболонкою 347 протягом 50 000 годин роботи при 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-Фаза перевірки опадів

Для покупців, яким потрібна довготривала міцність на повзучість, пропонуються два методи. Перший – це хімічне дослідження вмісту ванадію (за допомогою ICP або OES) з прийнятністю<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Висновок: Специфікація з низьким вмістом ванадію для 50 000 годин повзучості

У оболонках нагрівача з нержавіючої сталі 347, які працюють при 600 градусах протягом 50 000 годин, спостерігається осадження Z-фази (CrVN), навіть із вмістом залишкового ванадію лише 0,10-0,15%. Z-фаза звужується до 150-600 нм і знижує міцність на розрив повзучості на 20-50% порівняно з матеріалом без ванадію. Інженери, що вказують оболонки 347 для надтривалого використання (30 000-50 000+ годин), повинні обмежити ванадій до<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50% для пригнічення розвитку Z-фази. Розроблена тут структура пов’язує концентрацію ванадію, об’ємний відсоток Z-фази та зниження межі повзучості при 600 градусах. Цю структуру можуть використовувати замовники для визначення 347 хімії, яка збереже міцність на повзучість протягом півстоліття проектного терміну служби.