Как се променя обемната фракция на утаяването на фазата на Laves (Fe₂Mo) при 650 градуса по време на дългосрочна-експлоатация на 316L обвивка на нагревател, контрол на тръбопровода при пълзене, намаляване на пластичността

Ефект на богатата на молибден-интерметална фаза върху крехкостта

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (пластичен) до<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

Механизъм на крехкост във фазата на Лавес

Фазата на Laves (Fe2Mo) е хексагонална плътно опакована (HCP) структура, богата на молибден (Mo 35-45%) и силиций (Si 3-5%). Тя се утаява от свръхнаситената аустенитна матрица при продължително излагане при 550-700 градуса. Кинетиката на утаяване е бавна в сравнение с чи фазата с > 1000-2000 часа при 650C за постигане на значителни обемни фракции. Фазата е твърда и крехка и наличието на такива фази води до лесни пътища на счупване, особено когато те украсяват границите на зърната. За разлика от фазите чи и сигма, които също намаляват якостта, фазата на Лавес основно троши материала и намалява способността за пластична деформация преди разкъсване. Това е особено вредно при обвивките на нагревателите, тъй като конвенционалният симптом на повреда е подуване (увеличаване на диаметъра) поради пълзене. При крехкост във фазата на Лавес разкъсването може да се случи бързо без очевидна предшестваща деформация.

Количествена корелация между обемната фракция на фазата на Laves и пластичността на разкъсване при 650 градуса

Контролираното стареене на 316L тръби (2,2 wt% Mo, 0,02 wt% C, 0,08 wt% N) при 650 градуса за до 20 000 часа, последвано от тест за разкъсване при пълзене при 650 градуса и 80 MPa, демонстрира следната кинетика на утаяване на фазата на Laves и загуба на пластичност.

Време на стареене (час) 650 градуса Обемна фракция на фазата на Лавес (%) Размер на частиците на фазата на Лавес (nm) Място на утаяване Пълзене Удължение на разкъсване при 650 градуса (%) Режим на разкъсване Препоръчва се за обслужване, изискващо пластичност (силно предупреждение преди повреда)
0 (закален) 0 N/A Няма 20-30 Пластичен (трансгрануларен) Да 1000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 Обширен<2 Extremely brittle No 
Влияние на съдържанието на молибден върху кинетиката на утаяването на Laves

Скоростта на утаяване на фазата на Laves е пропорционална на концентрацията на молибден. По-нисък Mo (2,0–2,2%) е добър за устойчивост на крехкост на Laves.

Съдържание на молибден (wt%) Време до 1,0% Laves при 650 градуса (часа) Удължение при пълзене при скъсване след 10 000 часа при 650 градуса (%) Препоръчителна максимална работна температура за 10 000 часа живот Температурен диапазон на стоманата Температурен диапазон Температурен диапазон 2,0 (мин. 316) 6000-8000 5-8 640 степен 2,2 (тип. 316L) 4000-6000 4-6 630 степен 2.4 2500-4000 3-5 620 степен 2,5 (макс. 316L) 1500-3000 2-4 610 степен 2,8 (близо до 317L) 800-1500 1-3 600 степен Практически препоръки за 316L нагревателни обвивки при 650 градуса обслужване

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
Проверка на фазата на Laves и намаляването на пластичността

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20% към<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

Заключение: За да предотвратите крехкостта на Laves, осигурете ограничения за съдържанието на Mo и условията на експлоатация.

За нагревателни обвивки от неръждаема стомана 316L, работещи при 650 градуса Лавес фаза (Fe2Mo) се утаява след 2000-6000 часа и достига обемни фракции от 0,6-1,5% след 5000-10 000 часа. При тези нива пластичността при разкъсване при пълзене намалява от > 20% до 5-8%. Това води до крехко разрушаване (внезапно разкъсване без предшестващо състояние) вместо пластично разрушаване (видимо предупреждение за подуване). Срокът на експлоатация на обвивките 316L е ограничен до<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10 000 часа при 650 градуса, помислете за надграждане до 347 (стабилизиран с ниобий и не произвежда фаза на Laves) или 310 неръждаема стомана. Дадената тук рамка свързва обемната фракция на фазата на Laves с намаляването на пластичността при пълзене при разрушаване при 650 градуса и позволява на клиентите да определят химията на материала и максималните експлоатационни продължителности, които ще предотвратят чуплива повреда при дългосрочно обслужване на нагревателя при висока температура.