چگونه کسری حجمی از بارش فاز Chi (χ) در 700 درجه در طول سرویس طولانی مدت-سرویس طولانی مدت لوله کنترل غلاف بخاری 316 لیتری بر کاهش چقرمگی تأثیر دمای اتاق

فاز بین فلزی شکننده در 600-800 درجه تشکیل شد

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 (نشکن) به<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.

مکانیسم تردی فاز چی

فاز χ دارای ساختار مکعبی (BCC) با یک سلول واحد بزرگ (a≈ 8.9 Å) و غنی از مولیبدن (معمولاً 20{4}} 30٪ مو) و کروم (25-35٪ کروم) است. ترجیحاً در مرزهای دانه، تماس‌های فریت-آستنیت و در آخال‌ها رسوب می‌کند. فاز سخت و شکننده است و وجود آن مسیرهای مناسبی را برای شکستگی در امتداد مرز دانه ها فراهم می کند. بر خلاف فاز سیگما، فاز chi عامل ترد کننده قوی تری است زیرا به صورت ذرات کوچک و نزدیک به هم شکل می گیرد که یک شبکه شکننده پیوسته در کسرهای حجمی کمتر ایجاد می کند. حداکثر در دمای 700 درجه و 1000-5000 ساعت پیری بسته به محتوای مولیبدن مشاهده می شود. استاندارد 316L (2.0-2.5% مو) حساس است. افزایش مولیبدن (2.5-3.0٪ مو، نزدیک به 317L) سرعت تولید چی را افزایش می دهد.

رابطه کمی بین حرارت-کسری حجمی تیمار شده و چقرمگی ضربه در 700 درجه

پیشرفت تردی با پیری کنترل شده لوله 316 لیتری در 700 درجه ( دماغه منحنی TTT فاز chi) با زمان های مختلف پیری و به دنبال آن کمی سازی فاز chi (-پراش اشعه X، SEM) و آزمایش ضربه Charpy V-بریدگی در دمای اتاق (20 درجه) تعیین شد.

زمان پیری در 700 درجه (h) کسری حجمی فاز Chi (% اندازه ذرات Chi (nm) محل بارندگی دمای اتاق انرژی تأثیر (J, Charpy V{1}}notch) ظاهر سطح شکست برای خدماتی که در آن چقرمگی لازم است توصیه می شود
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 پهن، بالای سن 5-10 بسیار شکننده شماره
نمودار TTT برای فاز چی در 316L

نمودار TTT فاز chi در 316L (2.3% مو) نشان می دهد که سریع ترین بارش در دمای 700 درجه سانتی گراد و دماغه حدود 1000-2000 ساعت است.

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
تأثیر محتوای مولیبدن بر میزان بارش چی

مولیبدن بالاتر باعث رسوب فاز chi می شود. مولیبدن پایین برای سرویس در 700 درجه خوب است.

محتوای مولیبدن (وزنی %) زمان تا 1.0% چی در 700 درجه (ساعت) انرژی ضربه پس از 2000 ساعت در 700 درجه (J) حداکثر دمای توصیه شده برای 10000 ساعت عمر 2.0 (حداقل 316) 1500-2 درجه (typical) 2,{21}L. 1000-1،800 25-50 640 درجه 2.5 (حداکثر 316 لیتر) 600-1،000 15-35 620 درجه 2.8 (نزدیک به 317 لیتر) 300-600 10-25 600 درجه 3.2 (317 لیتر) 150-300 5-15 580 درجه توصیه های عملی برای سرویس 70 درجه هیتر

To maintain adequate toughness (impact energy >50 ژ) برای غلاف بخاری 316 لیتری در دمای 700 درجه یا حدوداً، محدودیت های خدمات زیر قابل اعمال است.

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 (قابل قبول نیست)<600 310 or Inconel 600
هر موضوعی که دارای سیکل حرارتی باشد 50% صرفه جویی در زمان بالاتر را به درجه بعدی ارتقا دهید
مشخصه‌سازی CHI{0}}تحریک‌پذیری فاز

سه روش، شکنندگی فاز chi را برای بخاری‌هایی که در 600{12}}750 درجه کار می‌کنند، اندازه‌گیری می‌کنند. اول، تست سختی. سختی از 160-180 HV به 220-300 HV به دلیل توسعه فاز chi افزایش می یابد. دوم متالوگرافی میدانی (مثنی) است. یک سطح صیقلی و حکاکی شده که در 500-1000 دیده می شود ممکن است رسوبات چی را در مرزهای دانه نشان دهد. سومین آزمایش ضربه ساده است. اگر بتوان بخشی از بخاری را جدا کرد، یک تست چارپی با سایز کوچک می تواند افت چقرمگی را ارزیابی کند. پراش اشعه ایکس (XRD) یا SEM/EDS راه قطعی برای شناسایی مستقیم فاز chi است.

نتیجه‌گیری: محدودیت‌های خدماتی را برای جلوگیری از شکنندگی چی تعریف کنید

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 تا 30{14}}60 J (شکستگی شکننده). مهندسانی که غلاف‌های 316L را برای سرویس بیش از 650 درجه مشخص می‌کنند، باید کل زمان صرف شده در ناحیه 600-750 درجه را تعیین کرده و آن را با محدودیت‌های نشان‌داده‌شده در نمودار TTT مقایسه کنند. برای 1000 تا 2000 ساعت در 700 درجه یا 5000 تا 10000 ساعت در 650 درجه توصیه می شود که به 347 (تثبیت شده با نیوبیم، تشکیل chi) یا فولاد ضد زنگ 310 (کاملا آستنیتی، کروم بالاتر) ارتقا دهید. رویکرد پیشنهادی در اینجا، درصد حجم فاز chi را به افت چقرمگی تاثیر دمای اتاق قابل اندازه‌گیری مرتبط می‌کند و به خریداران اجازه می‌دهد تا محدودیت‌های دما-زمانی را ایجاد کنند که مانع از شکنندگی غلاف‌های بخاری ۳۱۶ لیتری در استفاده طولانی‌مدت در دمای بالا می‌شود.