Як змінюється об’ємна частка опадів фази Лавеса (Fe₂Mo) при 650 градусах протягом тривалого-терміну експлуатації трубки оболонки нагрівача 316L Контроль розриву повзучості Зменшення пластичності

Вплив багатої-молібденової інтерметалічної фази на крихкість

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (пластичний) до<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

Механізм фазового окрихчення Лавеса

Фаза Лавеса (Fe2Mo) — це гексагональна щільноупакована (HCP) структура, багата молібденом (Mo 35-45%) і кремнієм (Si 3-5%). Вона виділяється з перенасиченої аустенітної матриці під час тривалої витримки при 550-700 градусів. Кінетика осадження повільна порівняно з фазою хі з > 1000-2000 годин при 650C для досягнення значних об’ємних часток. Фаза є твердою та крихкою, і наявність таких фаз призводить до легких шляхів руйнування, особливо коли вони прикрашають межі зерен. На відміну від фаз чі та сигма, які також знижують міцність, фаза Лавеса переважно окрихчує матеріал і зменшує здатність до пластичної деформації перед розривом. Це особливо шкідливо для оболонок нагрівачів, оскільки традиційним симптомом несправності є здуття (збільшення діаметра) через повзучість. У фазі Лавеса крихкості розрив може статися швидко без будь-якої очевидної попередньої деформації.

Кількісна кореляція між об'ємною часткою фази Лавеса та пластичністю до розриву при 650 градусах

Контрольоване старіння труб 316L (2,2 мас.% Mo, 0,02 мас.% C, 0,08 мас.% N) при 650 градусах протягом до 20 000 годин з подальшим випробуванням на розрив повзучості при 650 градусах і 80 МПа продемонструвало наступну кінетику виділення фази Лавеса та втрату пластичності.

Час витримки (година) 650 градусів Фаза Лавеса Об’ємна частка (%) Розмір частинок фази Лавеса (нм) Місце осадження Розривне подовження при повзучості при 650 градусах (%) Режим розриву, рекомендований для експлуатації, яка вимагає пластичності (Стійке попередження перед поломкою)
0 (відпалений) 0 Н/З Немає 20-30 Пластичний (трансзернистий) Так 1000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 Розширений<2 Extremely brittle No 
Вплив вмісту молібдену на кінетику опадів Лавеса

Швидкість випадання фази Лавеса пропорційна концентрації молібдену. Низький Mo (2,0–2,2%) хороший для стійкості до крихкості Лавеса.

Вміст молібдену (мас.%) Час до 1,0% Laves при 650 градусах (години) Подовження при повзучому розриві після 10 000 годин при 650 градусах (%) Рекомендована максимальна робоча температура протягом 10 000 годин Термін служби сталі Діапазон температур Діапазон температур Діапазон температур 2,0 (мін. 316) 6000-8000 5-8 640 градус 2,2 (тип. 316L) 4000-6000 4-6 630 градус 2.4 2500-4000 3-5 620 градус 2,5 (макс. 316L) 1500-3000 2-4 610 градус 2,8 (біля 317L) 800-1500 1-3 600 градус Практичні рекомендації для оболонок нагрівача 316L при експлуатації 650 градусів

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
Перевірка фази Лавеса та зниження пластичності

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20% до<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

Висновок: щоб запобігти крихкості за Лавесом, встановіть обмеження вмісту Mo та умови експлуатації.

Для оболонок нагрівача з нержавіючої сталі 316L, що працюють при 650 градусах Лавеса, фаза (Fe2Mo) випадає в осад через 2000-6000 годин і досягає об’ємних часток 0,6-1,5% через 5000-10 000 годин. На цих рівнях пластичність проти повзучості знижується від > 20% до 5-8%. Це призводить до крихкого руйнування (раптового розриву без попереднього) замість пластичного руйнування (видиме попередження про розбухання). Термін служби оболонок 316L обмежений<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10 000 годин при 650 градусах, розгляньте можливість оновлення до 347 (ніобій стабілізований і не виробляє фазу Лавеса) або 310 нержавіючої сталі. Наведена тут структура пов’язує об’ємну частку фази Лавеса зі зменшенням пластичності під час повзучого розриву при 650 градусах і дозволяє замовникам визначати хімічний склад матеріалу та максимальну тривалість служби, що запобігатиме крихкому руйнуванню під час довгострокової експлуатації високотемпературного нагрівача.