Hogyan hat a Chi (χ) fázisú csapadék térfogati hányada 700 fokos szögben a 316 literes fűtőhüvely-cső hosszú távú{1}}használata során a vezérlőterem hőmérsékletére hatással van a szívósság csökkentésére

A rideg intermetallikus fázis 600-800 fokon alakult ki

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 (képlékeny) ig<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.

A Chi fázis ridegedési mechanizmusa

A χ fázis testközpontú köbös (BCC) szerkezetű, nagy egységcellával (a≈ 8,9 Å), és gazdag molibdénben (általában 20-30% Mo) és krómban (25-35% Cr). Elsősorban szemcsehatárokon, ferrit-ausztenit érintkezéseken és zárványokon válik ki. A fázis kemény és törékeny, és jelenléte kényelmes repedési útvonalat biztosít a szemcsehatárok mentén. A szigma fázistól eltérően a chi-fázis erősebb ridegítőszer, mivel kis, egymáshoz közel elhelyezkedő részecskék formájában képződik, amelyek kisebb térfogatú frakcióknál folyamatos rideg hálózatot alkotnak. A maximum a molibdéntartalomtól függően 700 fokon és 1000-5000 órás öregedésnél figyelhető meg. A standard 316L (2,0-2,5% Mo) érzékeny; megnövekedett molibdén (2,5-3,0% Mo, közel 317 liter) fokozza a chi termelés sebességét.

A hőkezelt térfogathányad{0}}mennyiségi viszonya és az ütésállóság 700 fokban

A ridegedés előrehaladását 316 literes csövek 700 fokos szabályozott öregítésével határozták meg (a chi-fázisú TTT-görbe orra), különböző öregítési időkkel, majd a chi-fázis kvantifikációjával (röntgendiffrakció, SEM) és Charpy V-bevágásos ütésteszttel szobahőmérsékleten (20 fok).

Öregedési idő 700 fokon (h) Chi fázis térfogathányad (% Chi részecskeméret (nm) csapadék helyének hőmérséklete, ütési energia (J, Charpy V- bevágás) A törési felület megjelenése olyan szervizelésre javasolt, ahol szívósságra van szükség
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 Széles, túlkoros 5-10 Rendkívül törékeny sz
TTT diagram a Chi fázishoz 316 literben

A chi-fázis TTT diagramja 316 literben (2,3% Mo) azt mutatja, hogy a leggyorsabb csapadék 700 o C-on esik le, az orr pedig körülbelül 1000-2000 óra.

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
A molibdéntartalom hatása a Chi-csapadék sebességére

A magasabb molibdén elősegíti a chi fázis kiválását. Az alsó molibdén alkalmas 700 fokos szolgálatra.

Molibdéntartalom (tömeg%) 1,0% Chi elérési ideje 700 fokon (óra) Ütésenergia 2000 óra után 700 fokon (J) Javasolt maximális hőmérséklet 10 000 órán át Élettartam 2,0 (minimum 316) 1500-2,{11}} tipikus 1,23. 1000-1,800 25-50 640 fok 2,5 (maximum 316L) 600-1,000 15-35 620 fok 2,8 (közelítve 317L) 300-600 10-25 600 fok 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 fok Gyakorlati ajánlások a Heater Sheaths 7-es fokozathoz

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) 316 literes fűtőburkolatok esetén 700 fok körüli szögben, a következő szolgáltatási korlátozások érvényesek.

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 (nem elfogadható)<600 310 or Inconel 600
Bármelyik hőciklus alá tartozó személy50%-os időmegtakarítás Fent Előléptetés a következő fokozatba
A CHI{0}}FÁZIS KIBOCSÁTÁSÁNAK JELLEMZÉSE

Három módszer méri a chi-fázis ridegségét 600-750 fokon üzemeltetett fűtőberendezéseknél. Először is a keménységvizsgálat. A keménység 160-180 HV-ról 220-300 HV-ra nő a chi fázis fejlődésének köszönhetően. A második a terepi metallográfia (replika). Az 500-1000 fokon látható csiszolt és maratott felületen chi-csapadék jelenhet meg a szemcsehatárokon. A harmadik egy egyszerűsített ütési teszt. Ha a fűtőelem egy része eltávolítható, kisméretű Charpy-teszttel felmérhető a szívósság vesztesége. A röntgendiffrakció (XRD) vagy SEM/EDS a végső módja a chi-fázis közvetlen azonosításának.

Következtetés: Határozzon meg szolgáltatási korlátokat a Chi ridegedés megelőzése érdekében

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–30-60 J (törékeny törés). Azoknak a mérnököknek, akik 316 literes burkolatokat írnak elő a 650 fok feletti kiszolgáláshoz, meg kell határozniuk a 600-750 fokos régióban eltöltött teljes időt, és össze kell hasonlítaniuk a TTT diagramon látható korlátozásokkal. 1000-2000 óra 700 fokon vagy 5000-10000 óra 650 fokon ajánlott 347-re (nióbium-stabilizált, nem képez chi-t) vagy 310-es rozsdamentes acélra (teljesen ausztenites, magasabb krómtartalmú) frissíteni. Az itt javasolt megközelítés a chi-fázis térfogatszázalékát a mérhető szobahőmérsékleti ütésállóság-veszteséghez kapcsolja, és lehetővé teszi a vásárlók számára, hogy olyan hőmérséklet-idő-korlátozásokat állapítsanak meg, amelyek kizárják a 316 literes fűtőburkolatok ridegségét hosszú távú, magas hőmérsékletű használat során.