Как изменяется объемная доля осаждения фазы Chi (χ) при температуре 700 градусов в течение длительного-срочного срока службы трубок с оболочкой нагревателя 316L, снижение ударной вязкости при температуре в диспетчерской

Охрупчивающая интерметаллическая фаза образуется при температуре 600-800 градусов.

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 >от 200 Дж (пластичный) до<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.

Механизм охрупчивания фазы Чи

Фаза χ имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру с крупной элементарной ячейкой (a ≈ 8,9 Å) и богата молибденом (обычно 20-30 % Мо) и хромом (25–35 % Cr). Он выделяется преимущественно на границах зерен, контактах феррит-аустенит и во включениях. Эта фаза твердая и хрупкая, и ее присутствие обеспечивает удобные пути разрушения по границам зерен. В отличие от сигма-фазы, хи-фаза является более сильным агентом, вызывающим охрупчивание, поскольку она образуется в виде небольших, близко расположенных частиц, которые образуют непрерывную хрупкую сетку при меньших объемных долях. Максимум наблюдается при 700 градусах и 1000-5000 часов старения в зависимости от содержания молибдена. Стандарт 316L (2,0–2,5% Mo) чувствителен; повышенное содержание молибдена (2,5–3,0% Mo, близко к 317L) увеличивает скорость производства ци.

Количественная связь между объемной долей термообработанной-обработанной стали и ударной вязкостью при 700 градусах

Прогрессирование охрупчивания определялось путем контролируемого старения трубок из 316L при температуре 700 градусов (конец кривой ТТТ хи-фазы) с различным временем старения с последующим количественным определением хи-фазы (рентгеновская дифракция, СЭМ) и испытанием на удар по Шарпи с V-надрезом при комнатной температуре (20 градусов).

Время старения при 700 градусах (ч) Объемная доля фазы Chi (% Chi Размер частиц (нм) Место осаждения Комнатная температура Энергия удара (Дж, надрез Шарпи V-) Внешний вид поверхности разрушения Рекомендуется для эксплуатации, где требуется прочность
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 Широкие, состаренные 5–10 Чрезвычайно хрупкие Нет
Диаграмма ТТТ для фазы Чи в 316L

Диаграмма ТТТ хи-фазы в 316L (2,3% Мо) указывает на то, что наиболее быстрое осаждение происходит при 700°С и длится около 1000-2000 часов.

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
Влияние содержания молибдена на скорость осаждения ци

Высшее содержание молибдена способствует выделению фазы хи. Низкий уровень молибдена пригоден для эксплуатации при температуре 700 градусов.

Содержание молибдена (мас.%) Время до 1,0% Chi при 700 градусах (часы) Энергия удара через 2000 часов при 700 градусах (Дж) Рекомендуемая максимальная температура в течение 10 000 часов Срок службы 2,0 (минимум 316) 1500-2,500 30-60 650 градус 2,2 (типовой 316L) 1000-1,800 25-50 640 градус 2,5 (максимум 316L) 600-1,000 15-35 620 градус 2,8 (приближается к 317L) 300-600 10-25 600 градус 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 градус Практические рекомендации для кожухов нагревателей из 316L при температуре эксплуатации 700 градусов

To maintain adequate toughness (impact energy >50 Дж) для кожухов нагревателей из 316L при температуре 700 градусов или около нее применимы следующие ограничения по эксплуатации.

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 (неприемлемо)<600 310 or Inconel 600
Любое, подвергающееся термоциклированию. Экономия времени 50 %. Выше Перейти в следующий класс.
ХАРАКТЕРИСТИКА ХИ-ФАЗОВОГО охрупчивания

Три метода позволяют измерить охрупчивание по фазе хи для нагревателей, которые работали при температуре 600-750 градусов. Сначала проверка на твердость. Твердость увеличивается со 160-180 HV до 220-300 HV за счет развития фазы хи. Второй – полевая металлография (реплика). Полированная и протравленная поверхность, видимая при 500–1000, может иметь выделения хи на границах зерен. Третий — упрощенное испытание на удар. Если часть нагревателя можно снять, можно провести небольшое испытание по Шарпи меньшего размера, чтобы оценить потерю ударной вязкости. Рентгеновская дифракция (XRD) или SEM/EDS — это точный способ прямой идентификации фазы хи.

Вывод: определите пределы обслуживания, чтобы предотвратить охрупчивание Ци.

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 >от 200 Дж до 30-60 Дж (хрупкое разрушение). Инженеры, определяющие оболочки из 316L для эксплуатации при температуре более 650 градусов, должны определить общее время, проведенное в области 600-750 градусов, и сравнить его с ограничениями, указанными на диаграмме ТТТ. Для 1000–2000 часов при 700 градусах или 5000–10 000 часов при 650 градусах рекомендуется перейти на нержавеющую сталь 347 (стабилизированная ниобием, не образует хи) или 310 (полностью аустенитная, с повышенным содержанием хрома). Предлагаемый здесь подход связывает процентное содержание фазы хи с измеримой потерей ударной вязкости при комнатной температуре и позволяет покупателям устанавливать температурно-временные ограничения, которые исключают охрупчивание оболочек нагревателей из 316L при длительном использовании при высоких температурах.