Как объемная доля фазы G- (Ni₁₆Nb₆Si₇) осаждается в оболочке нагревателя 347 после 20 000 часов при температуре 600 градусов и контролирует энергию удара Шарпи при комнатной температуре при демонтаже и транспортировке после-сервисного обслуживания

Сложная силицидная фаза и эффект охрупчивания стабилизированной ниобием нержавеющей стали

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 %, что создает риск растрескивания во время демонтажа, транспортировки и транспортировки после обслуживания. В этой статье количественно определена связь между ударной вязкостью по Шарпи и объемной долей G-фазы после 20 000 часов при 600 C.

Механизм охрупчивания, вызванного фазой G-

Фаза G- (Ni₁₆Nb₆Si₇) включает ~50-60% Ni, 20-25% Nb и 10-15% Si по массе. Он выделяется на границах зерен после длительного старения при температуре 550-650 градусов, в основном в нержавеющих сталях, стабилизированных ниобием (347, 348). Фаза твердая (400-600 HV) и хрупкая. Испытания на удар при комнатной температуре показывают, что трещины зарождаются на частицах G-фазы и распространяются вдоль границ зерен с небольшой пластической деформацией. Охрупчивание незначительное: твердость может повыситься лишь незначительно (со 160-180 HV до 190-220 HV), тогда как ударная вязкость значительно снижается. G-фазой обычно пренебрегают из-за увеличенной продолжительности старения (10,000+ часов) и особых пар ниобий-кремний.

Количественная связь между объемной долей G-фазы и энергией удара по Шарпи

Процесс охрупчивания трубок 347 (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C), выдержанных при температуре 600 градусов в течение до 25 000 часов, определяется количественным определением G-фазы с помощью SEM/EDS и испытанием на удар по Шарпи с V-надрезом при 25 градусах.

Время старения при 600 градусах (часы) G-Объемная доля фазы (%)G-Фаза Размер частиц (нм) Место осаждения Энергия удара по Шарпи при 25 градусах (Дж) Внешний вид разрушения Рекомендуется для после-обслуживания (демонтаж, транспортировка)
0 (отожженный) 0 Н/Д Нет 200–240 Пластичный (100 % сдвиг) Да 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 Сплошная + внутризеренная 30-50 Очень хрупкая Нет 25,000 1.30-1.70 100-150 Обширная, консолидированная 20-35 Чрезвычайно хрупкая Нет
Влияние кремния и ниобия на осаждение G-фазы

Для фазы G- необходимы ниобий и кремний. Меньшее количество кремния и меньшее количество ниобия замедляют выделение фазы G-.

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 Да 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Приемлемо (монитор) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Не рекомендуется 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Нет 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Нет практических рекомендаций для 347 оболочек нагревателя при 600 градусах с почтовой службой Обращение

Следующие ограничения по фазе G- и параметры материала обеспечивают соответствующую прочность для предотвращения растрескивания корпусных нагревателей 347, которые будут сниматься, разбираться, транспортироваться или выбрасываться через 20 000 часов при температуре 600 градусов.

Требуемая активность после обслуживанияМинимальное влияние Шарпи на безопасное обращение (J) Максимально допустимая фаза G- (%) Макс. Кремний (мас.%)Максимальное содержание ниобия (мас.%)Рекомендуемый срок службы (часы)
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
G-Подтверждение охрупчивания фазы

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 безопасного обращения. Второе — испытание на твердость: фаза G- повышает твердость со 160-180 HV до 190-220 HV (умеренная). В-третьих, металлографическое исследование (СЭМ/ЭДС) для обнаружения фазы G- (яркие, блочные частицы на границах зерен состава Ni-Nb-Si). Простое испытание в полевых условиях — согнуть крошечный купон. Если он расколется при изгибе на 90 градусов по радиусу 10 мм, это серьезное охрупчивание.

Вывод: используйте Low Si + Low Nb, чтобы избежать охрупчивания -фазы G во время обслуживания после-обслуживания.

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 >От 200 Дж до 45-65 Дж (хрупкое), что создает высокую опасность растрескивания при демонтаже почтовых служб, подъеме краном или транспортировке. Указанные оболочки 347 должны включать<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.