Πώς λειτουργεί το κλάσμα όγκου της κατακρήμνισης φάσης Chi (χ) στους 700 μοίρες κατά τη διάρκεια της μακροπρόθεσμης-υπηρεσίας 316 λίτρων σωλήνων ελέγχου θήκης θερμαντήρα Μείωση σκληρότητας θερμοκρασίας κρούσης θερμοκρασίας

Η εύθραυστη διαμεταλλική φάση σχηματίστηκε στους 600-800 βαθμούς

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (όλκιμο) προς<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Μηχανισμός ευθραυστότητας φάσης Chi

Η φάση χ έχει σωματοκεντρική κυβική (BCC) δομή με μεγάλη μονάδα κυψέλης (a≈ 8,9 Å) και είναι πλούσια σε μολυβδαίνιο (συνήθως 20-30% Mo) και χρώμιο (25-35% Cr). Καθιζάνει κατά προτίμηση στα όρια των κόκκων, στις επαφές φερρίτη-ωστενίτη και στα εγκλείσματα. Η φάση είναι σκληρή και εύθραυστη και η παρουσία της παρέχει βολικές διαδρομές για θραύση κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Σε αντίθεση με τη φάση σίγμα, η φάση chi είναι ένας πιο ισχυρός παράγοντας ευθραυστότητας καθώς σχηματίζεται ως μικρά, σε κοντινή απόσταση σωματίδια που δημιουργούν ένα συνεχές εύθραυστο δίκτυο σε κλάσματα χαμηλότερου όγκου. Το μέγιστο παρατηρείται στους 700 βαθμούς και 1.000-5.000 ώρες παλαίωσης ανάλογα με την περιεκτικότητα σε μολυβδαίνιο. Το Standard 316L (2,0-2,5% Mo) είναι ευαίσθητο. Το αυξημένο μολυβδαίνιο (2,5-3,0% Mo, κοντά στα 317L) ενισχύει το ρυθμό παραγωγής chi.

Ποσοτική σχέση μεταξύ θερμότητας-Επεξεργασμένου κλάσματος όγκου και σκληρότητας κρούσης στους 700 μοίρες

Η εξέλιξη της ευθραυστότητας προσδιορίστηκε με ελεγχόμενη γήρανση σωλήνων 316L στις 700 μοίρες (μύτη της καμπύλης ΤΤΤ φάσης chi) με διαφορετικούς χρόνους γήρανσης που ακολουθείται από ποσοτικοποίηση φάσης chi (-διάθλαση ακτίνων X, SEM) και Charpy V-δοκιμή κρούσης εγκοπής σε θερμοκρασία δωματίου (20 βαθμοί ).

Χρόνος γήρανσης σε 700 μοίρες (h) Κλάσμα όγκου φάσης Chi (%Chi Μέγεθος σωματιδίων (nm) Θέση βροχόπτωσης Θερμοκρασία δωματίου Ενέργεια κρούσης (J, Charpy V-notch) Εμφάνιση επιφάνειας θραύσης Συνιστάται για σέρβις όπου απαιτείται σκληρότητα
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Ευρύ, υπέργηρο 5-10Εξαιρετικά εύθραυστο Αρ
Διάγραμμα TTT για Chi Phase σε 316L

Το διάγραμμα TTT της φάσης chi σε 316L (2,3% Mo) δείχνει ότι η ταχύτερη κατακρήμνιση συμβαίνει στους 700 o C και η μύτη είναι περίπου 1.000-2.000 ώρες.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Επίδραση της περιεκτικότητας σε μολυβδαίνιο στον ρυθμό βροχόπτωσης Chi

Το υψηλότερο μολυβδαίνιο προάγει την καθίζηση της φάσης chi. Το χαμηλότερο μολυβδαίνιο είναι καλό για εξυπηρέτηση στους 700 βαθμούς.

Περιεκτικότητα σε μολυβδαίνιο (wt%) Χρόνος έως 1,0% Chi στους 700 βαθμούς (ώρες) Ενέργεια κρούσης μετά από 2.000 ώρες στους 700 βαθμούς (J) Συνιστώμενη μέγιστη θερμοκρασία για 10.000h Διάρκεια ζωής 2.0 (ελάχιστη 316) 1.500-2 μοίρες (τύπος 21,{1}L) 1.000-1,800 25-50 640 βαθμός 2,5 (μέγιστο 316 λίτρα) 600-1,000 15-35 620 βαθμός 2,8 (πλησιάζει τα 317 λίτρα) 300-600 10-25 600 βαθμός 3,2 (317 λίτρα) 150-300 5-15 580 βαθμός 3,2 (317 λίτρα) 150-300 5-15 580 βαθμός Πρακτικές συστάσεις για 310 μοίρες σέρβις σε Heater Sheath7

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) για περιβλήματα θερμαντήρα 316 λίτρων στους 700 βαθμούς ή περίπου, ισχύουν οι ακόλουθοι περιορισμοί σέρβις.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (μη αποδεκτό)<600 310 or Inconel 600
Οποιοδήποτε υπόκειται σε θερμική ανακύκλωση50% εξοικονόμηση χρόνου Πάνω Προαγωγή στην επόμενη τάξη
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ CHI-ΦΑΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΗΣ

Τρεις μέθοδοι μετρούν την ευθραυστότητα της φάσης chi για θερμαντήρες που έχουν λειτουργήσει στους 600-750 βαθμούς . Πρώτον, η δοκιμή σκληρότητας. Η σκληρότητα αυξάνεται από 160-180 HV σε 220-300 HV λόγω της ανάπτυξης της φάσης chi. Το δεύτερο είναι η μεταλλογραφία πεδίου (αντίγραφο). Μια γυαλισμένη και χαραγμένη επιφάνεια που φαίνεται στο 500-1.000 μπορεί να εμφανίσει ιζήματα chi στα όρια των κόκκων. Το τρίτο είναι μια απλοποιημένη δοκιμή πρόσκρουσης. Εάν ένα μέρος του θερμαντήρα μπορεί να αφαιρεθεί, ένα μικρό τεστ Charpy μπορεί να εκτιμήσει την απώλεια σκληρότητας. Η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) ή SEM/EDS είναι ο οριστικός τρόπος για την άμεση αναγνώριση της φάσης chi.

Συμπέρασμα: Καθορίστε όρια υπηρεσιών για την πρόληψη της ευθραυστότητας του Chi

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J έως 30-60 J (εύθραυστο κάταγμα). Οι μηχανικοί που καθορίζουν περιβλήματα 316L για σέρβις άνω των 650 μοιρών θα πρέπει να προσδιορίσουν τον συνολικό χρόνο που δαπανάται στην περιοχή των 600-750 μοιρών και να τον συγκρίνουν με τους περιορισμούς που εμφανίζονται στο διάγραμμα TTT. Για 1000 έως 2000 ώρες στους 700 βαθμούς ή 5000 έως 10000 ώρες στους 650 βαθμούς συνιστάται η αναβάθμιση σε 347 (σταθεροποιημένο με νιόβιο, δεν σχηματίζει chi) ή ανοξείδωτο χάλυβα 310 (εντελώς ωστενιτικό, υψηλότερο χρώμιο). Η προσέγγιση που προτείνεται εδώ συσχετίζει το ποσοστό όγκου φάσης chi με τη μετρήσιμη απώλεια αντοχής σε κρούση θερμοκρασίας δωματίου και επιτρέπει στους αγοραστές να θεσπίσουν περιορισμούς θερμοκρασίας-χρόνου που αποκλείουν την ευθραυστότητα των θηκών θερμαντήρα 316L σε μακροχρόνια χρήση σε υψηλή θερμοκρασία.