Bagaimana Pecahan Isipadu bagi Kerpasan Fasa Chi (χ) pada 700 darjah Semasa-Perkhidmatan Jangka Panjang 316L Pemanas Sarung Tiub Kawalan Suhu Bilik Pengurangan Keliatan

Fasa antara logam yang mengagumkan terbentuk pada 600-800 darjah

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 (mulur) kepada<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.

Mekanisme pengelasan fasa Chi

Fasa χ mempunyai struktur kubik berpusat badan (BCC) dengan sel unit yang besar (a≈ 8.9 Å) dan kaya dengan molibdenum (biasanya 20-30% Mo) dan kromium (25-35% Cr). Ia memendakan keutamaan pada sempadan bijian, hubungan ferit-austenit dan pada kemasukan. Fasanya keras dan rapuh dan kehadirannya menyediakan laluan mudah untuk patah di sepanjang sempadan butiran. Berbeza dengan fasa sigma, fasa chi ialah ejen pengikat yang lebih kuat kerana ia membentuk sebagai zarah kecil berjari rapat yang menjadikan rangkaian rapuh berterusan pada pecahan volum yang lebih rendah. Maksimum diperhatikan pada 700 darjah dan 1,000-5,000 jam penuaan bergantung kepada kandungan molibdenum. Standard 316L (2.0-2.5% Mo) mudah terdedah; peningkatan molibdenum (2.5-3.0% Mo, hampir 317L) meningkatkan kadar pengeluaran chi.

Hubungan Kuantitatif antara Haba-Pecahan Isipadu Dirawat dan Keliatan Impak pada 700 darjah

Kemajuan embrittlement ditentukan oleh penuaan terkawal tiub 316L pada 700 darjah (lengkung TTT fasa hidung chi) dengan masa penuaan berbeza diikuti dengan kuantifikasi fasa chi (pembelauan sinar X-, SEM) dan ujian hentaman takuk Charpy V-pada suhu bilik (20 darjah ).

Masa Penuaan pada 700 darjah (j) Pecahan Isipadu Fasa Chi (%Saiz Zarah Chi (nm) Tapak Kerpasan Suhu Bilik Tenaga Kesan (J, Charpy V- takuk) Penampilan Permukaan Patah Disyorkan untuk Servis Di Mana Keliatan Diperlukan
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 Lebar, lebihan 5-10Amat rapuh No
Rajah TTT untuk Fasa Chi dalam 316L

Rajah TTT fasa chi dalam 316L (2.3% Mo) menunjukkan bahawa kerpasan terpantas berlaku pada 700 o C dan hidung adalah kira-kira 1,000-2,000 jam.

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
Pengaruh Kandungan Molibdenum terhadap Kadar Kerpasan Chi

Molibdenum yang lebih tinggi menggalakkan pemendakan fasa chi. Molibdenum yang lebih rendah adalah baik untuk perkhidmatan pada 700 darjah.

Kandungan Molibdenum (berat%) Masa hingga 1.0% Chi pada 700 darjah (jam) Tenaga Kesan selepas 2,000 jam pada 700 darjah (J) Suhu Maksimum Disyorkan untuk 10,000j Hayat 2.0 (minimum 316) 1,500-2,500 30-60 650 (biasa) darjah 3 1,000-1,800 25-50 640 darjah 2.5 (maksimum 316L) 600-1,000 15-35 620 darjah 2.8 (menghampiri 317L) 300-600 10-25 600 darjah 3.2 (317L) 150-300 5-15 580 darjah Syor Praktikal untuk Servis 306L Heater 7

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) untuk sarung pemanas 316L pada atau sekitar 700 darjah , had perkhidmatan berikut adalah terpakai.

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 (tidak boleh diterima)<600 310 or Inconel 600
Mana-mana tertakluk kepada kayuhan haba50% penjimatan masaAbove Naikkan pangkat ke gred seterusnya
CIRI-CIRI CHI-FASA EMBRITTLEMENT

Tiga kaedah mengukur kemerosotan fasa chi untuk pemanas yang telah dikendalikan pada 600-750 darjah . Pertama, ujian kekerasan. Kekerasan meningkat daripada 160-180 HV kepada 220-300 HV disebabkan oleh perkembangan fasa chi. Yang kedua ialah metalografi medan (replika). Permukaan yang digilap dan terukir dilihat pada 500-1,000 mungkin menunjukkan mendakan chi pada sempadan butiran. Yang ketiga ialah ujian impak yang dipermudahkan. Jika sebahagian daripada pemanas boleh ditanggalkan, ujian Charpy bersaiz kecil boleh menilai kehilangan keliatan. Pembelauan sinar-X (XRD) atau SEM/EDS ialah cara muktamad untuk mengenal pasti secara langsung fasa chi.

Kesimpulan: Tentukan Had Perkhidmatan untuk Mencegah Chi Embrittlement

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 hingga 30-60 J (patah rapuh). Jurutera yang menentukan sarung 316L untuk perkhidmatan melebihi 650 darjah harus menentukan jumlah masa yang dihabiskan di rantau 600-750 darjah dan membandingkannya dengan sekatan yang ditunjukkan dalam rajah TTT. Untuk 1000 hingga 2000 jam pada 700 darjah atau 5000 hingga 10000 jam pada 650 darjah adalah disyorkan untuk menaik taraf kepada 347 (niobium-stabil, tidak membentuk chi) atau 310 keluli tahan karat (austenit sepenuhnya, kromium yang lebih tinggi). Pendekatan yang dicadangkan di sini mengaitkan peratusan volum fasa chi kepada kehilangan keliatan kesan suhu bilik yang boleh diukur dan membolehkan pembeli mewujudkan sekatan masa suhu yang menghalang kerosakan sarung pemanas 316L dalam penggunaan suhu tinggi jangka panjang.