Як об’ємна частка G-фази (Ni₁₆Nb₆Si₇) опадів у оболонці нагрівача 347 після 20 000 годин при 600 градусах контролює енергію удару Шарпі кімнатної температури для демонтажу та транспортування після-обслуговування

Комплексна силіцидна фаза та ефект крихкості нержавіючої-ніобієвої сталі

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%, створюючи ризик розтріскування під час демонтажу після обслуговування, транспортування та транспортування. У цій статті кількісно визначено зв’язок між ударною в’язкістю за Шарпі та об’ємною часткою G-фази після 20 000 годин при 600 C.

Механізм окрихчення, викликаного G-фазою

G-фаза (Ni₁₆Nb₆Si₇) включає ~50-60% Ni, 20-25% Nb і 10-15% Si за вагою. Він осідає на границях зерен після тривалого старіння при 550-650 градусах, головним чином у стабілізованих ніобієм нержавіючих сталях (347, 348). Фаза тверда (400-600 HV) і крихка. Випробування на удар при кімнатній температурі показує, що тріщини зароджуються на частинках G-фази та рухаються вздовж меж зерен із невеликою пластичною деформацією. Крихкість незначна: твердість може лише незначно покращитися (від 160-180 HV до 190-220 HV), тоді як ударна в'язкість значно знижується. G-фазу зазвичай не враховують через тривалість старіння (10, 000+ годин) і певні пари ніобій-кремній.

Кількісна залежність між об’ємною часткою G-фази та енергією удару Шарпі

Процес окрихчення трубок 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C), витриманих при 600° протягом до 25 000 годин, визначається кількісним визначенням G-фази за допомогою SEM/EDS і випробуванням на ударну випробування за Шарпі V-надрізом при 25°.

Час старіння при 600 градусах (год.) G-Об’ємна частка фази (%)G-Розмір частинок фази (нм) Місце випадання Енергія удару Шарпі при 25 градусів (Дж) Зовнішній вигляд руйнування Рекомендується для-обробки після обслуговування (демонтаж, транспортування)
0 (відпалений) 0 Н/З Немає 200-240 Пластичний (100% зсув) Так 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 Безперервний + внутрішньозернистий 30-50 Дуже крихкий Ні 25,000 1.30-1.70 100-150 Значний, консолідований 20-35 Надзвичайно крихкий Ні
Вплив кремнію та ніобію на виділення фази G-

G-фаза потребує ніобію та кремнію. Менша кількість кремнію та менша кількість ніобію сповільнюють випадання G-фази.

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 Так 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Прийнятно (монітор) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Не рекомендовано 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Ні 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Ні Практичні рекомендації для оболонок нагрівача 347 на 600 градусів із поштовою обробкою

Наведені нижче обмеження G-фази та параметри матеріалу забезпечують належну міцність для запобігання розтріскування під час використання для 347 закритих обігрівачів, які будуть видалені, розібрані, транспортовані або викинуті після 20 000 годин роботи при 600 градусах.

Бажана діяльність після обслуговування Мінімальний вплив Шарпі для безпечного поводження (J) Максимально допустима G-фаза (%) Макс. Силіцій (мас.%) Максимум Ніобій (мас.%}Рекомендований термін служби (год.)
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
Підтвердження крихкості G-фази

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 Дж для безпечного поводження. Друге – перевірка твердості: G-фаза підвищує твердість від 160-180 HV до 190-220 HV (помірна). По-третє, це металографічне дослідження (SEM/EDS) для виявлення G-фази (яскраві блокові частинки на межах зерен із складом Ni-Nb-Si). Простий польовий тест полягає в тому, щоб зігнути крихітний купон. Якщо він розколюється під час згинання на 90 градусів в радіусі 10 мм, крихкість серйозна.

Висновок: використовуйте низький вміст Si + низький рівень Nb, щоб уникнути крихкості G-фази під час-технічного обслуговування

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 >Від 200 Дж до 45-65 Дж (крихкий), що створює високу небезпеку розтріскування під час демонтажу після обслуговування, підйому краном або транспортування. Зазначені 347 оболонок повинні включати<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.