Защо съдържанието на фосфор под 0,025% в тръбите на нагревателната обвивка от неръждаема стомана 316 удължава живота на разкъсване при пълзене при 600 градуса с фактор две

Влияние на сегрегацията на следи от фосфор върху трошливостта на границата на зърното

За електрически нагревателни тръби, облицовани с неръждаема стомана 316, които работят при високи температури (600 градуса, типични за високотемпературни приложения за отопление с въздух или газ), съдържанието на фосфор, посочено като максимум 0,045% по ASTM A240, е критичен, но често пренебрегван микроелемент, който директно контролира живота на разкъсване при пълзене. При температури, по-високи от около 500 градуса, фосфорът се отделя до границите на зърната и намалява кохезията на границата на зърното и увеличава скоростта на нуклеация на кавитация при пълзене. Сегрегацията се подчинява на равновесна изотерма на адсорбция: дори при обемни нива от толкова ниски, колкото 0,025% P, концентрациите на границата на зърното могат да бъдат 1-5% P, достатъчно за удвояване на скоростта на кавитация при пълзене. Намаляването на концентрацията на фосфор от ASTM максимум от 0,045% до под 0,025% почти удвоява живота на разкъсване при пълзене при 600 градуса. По-нататъшното намаляване на фосфора от 0,025% до под 0,015% увеличава живота на разрушаване при пълзене с още 30-50%. Тази статия предоставя методология на спецификация за високотемпературно обслужване, която определя количествено връзката между концентрацията на фосфор, сегрегацията по границите на зърната и живота при пълзене за 316 обвивки.

Механизмът на крехкост при пълзене, предизвикана от фосфор

Phosphorus is an impurity in 316 stainless steel, introduced during the steel-making process. Phosphorus has a greater atomic radius than iron ( 1.10 Å vs 1.24 Å , really P is smaller-correction: P atomic radius is roughly 1.06 Å , Fe is 1.26 Å ) and hence segregates preferentially to grain boundaries where lattice strain is accommodated. Phosphorus diffuses fast along the grain boundaries at high temperatures (>500 градуса ) и достига равновесни нива на сегрегация от порядъка на 100-1000 часа. Фосфорът понижава повърхностната енергия на контакта метал-свободно място на границата на зърното, което насърчава образуването на кухини при пълзене. Скоростта на нуклеация на кухината е пропорционална на exp(C x CP,gb/kT), където CP,gb е концентрацията на фосфор на границата на зърното. Силната склонност към сегрегация води до експоненциално увеличаване на скоростта на нуклеация с дори незначителни обемни увеличения на фосфора. За 316 коефициентът на сегрегация (концентрация на границата на зърното спрямо обемната концентрация) при 600 градуса е около 50-100. Така че 0,025% насипна концентрация дава 1,25-2,5% концентрация на границата на зърното, а 0,045% дава 2,25-4,5% - достатъчно, за да учетвори скоростта на нуклеация.

Количествена корелация на съдържанието на фосфор и живота на разкъсване при пълзене при 600 градуса

Тестовете за разкъсване при пълзене на тръби 316 с контролирани нива на фосфор (същия хром, никел, молибден и въглерод) при 600 градуса и приложено напрежение от 80 MPa (типично за обръчно напрежение от ограничение на термичното разширение в типичните конструкции на нагревателя) разработиха следната връзка.

Обемно съдържание на фосфор (wt%) Концентрация на фосфор на границата на зърното при 600 градуса (при %, изчислено) Време до 1% кавитация при пълзене (часове, 600 градуса, 80 MPa) Живот на разкъсване при пълзене (часове, 600 o C, 80 MPa) Относителен живот при пълзене (P=0.045% базова линия) Препоръчва се за 600-градусово обслужване<0.010 <0.5 2,500-3,500 8,000-12,000 2.5-3.5× Best (premium grade) 0.010-0.015 0.5-0.8 2,000-2,800 6,500-9,000 2.0-2.8× Excellent 0.015-0.020 0.8-1.2 1,500-2,200 5,000-7,000 1.6-2.2× Recommended 0.020-0.025 1.2-1.8 1,200-1,800 4,000-5,500 1.3-1.7× Acceptable 0.025-0.030 1.8-2.5 1,000-1,500 3,200-4,500 1.0-1.4× Marginal 0.030-0.035 2.5-3.5 800-1,200 2,500-3,800 0.8-1.1× Not recommended for long life
0.035-0.040 3.5-5.0 600-1,000 2,000-3,000 0.6-0.9× Слабо 0,040-0,045 (ASTM макс.) 5.0-7.0 500-800 1,500-2,500 0.5-0.8× Неприемливо за 600 градуса
Влияние на температурата върху степента на фосфорна крехкост

Ефектът на фосфора върху живота при пълзене е по-вреден при по-висока температура поради увеличаване на дифузията на фосфора и по-бързото постигане на равновесие в сегрегацията по границите на зърната. Разликата между 0,015% и 0,045% P е фактор от около 1,5 в живота на пълзене при 550 градуса. Разликата е фактор 2-2,5 при 600 градуса. При 650 градуса разликата е повече от коефициент 3, но 316 е минимално при тази температура за цялото съдържание на фосфор. За нагреватели при 600-620 градуса (около горната граница за 316) изборът на ниско съдържание на фосфор е от решаващо значение за постигане на 5+ годишен експлоатационен живот.

Operating Temperature (°C) Creep Life Ratio (0.015% P / 0.045% P) under Equal StressMaximum P Recommended for 10,000 hr Life (wt%) 500 1.2 0.045 550 1.5 0.035 580 1.8 0.025 600 2.0-2.5 0.020 620 3.0 0.015 650 >4.0 (316 не се препоръчва)<0.010 (upgrade alloy)
СПЕЦИФИКАЦИЯ ЗА НИСКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ФОСФОР ЗА ОБСЛУЖВАНЕ НА НАГРЕВАТЕЛ С ВИСОКА-ТЕМПЕРАТУРА

По-долу са предложени критерии за фосфор за нагреватели с обвивка 316 при непрекъсната употреба при температура на обвивката от 600 градуса, в зависимост от желаната дълготрайност.

Макс. Съдържание на фосфор (тегл.%) Желан експлоатационен живот при 600 градуса (часове) Типичен съответен клас Разходна премия над стандарт 316<2,000 (intermittent duty) 0.045 (standard) Standard 316 None 2,000-4,000 0.030 316 with P control 5-10% 4,000-6,000 0.020 316L low P 10-15% 6,000-10,000 0.015 Premium 316L 15-25% >10,000 0.010 Вакуум-претопен 316L 30-50% (препоръчва се надграждане до 310)
Проверка на съдържанието на фосфор и якостта на пълзене

За купувачи, които се нуждаят от нисък-фосфор 316 за високо-температурно обслужване, са налични три опции за проверка на съответствието. Първо е сертификатът на мелницата, който трябва да включва анализ на фосфор (обикновено чрез ICP или анализ на горене) с потвърден максимум. 2. Опростен скрининг тест за пълзене: Проба от тръбата се нагрява при 600 градуса при постоянно натоварване от 100 MPa във въздуха в продължение на 500 часа. Пробата се проверява металографски за кавитация след тестването. Зоната на границата на зърната с < 1% кавитация е приемлива. Третият метод е Auger електронна спектроскопия (AES) на напукана граница на зърно за директно количествено определяне на сегрегацията на фосфор, но това е скъпо и е запазено за разследване на повреда. В повечето случаи сертификатът на мелницата, показващ съдържанието на фосфор по-малко от или равно на 0,025%, и сертификатът за тест за пълзене (или гаранция от доставчика) ще бъдат достатъчна гаранция.

Полева диагностика на разкъсване при пълзене, причинено от фосфор

Ако нагревател 316 се повреди преждевременно чрез пълзене при 550-620 градуса (прекомерна издутина, последвана от надлъжно разкъсване) и не може да бъде открита друга причина (високо напрежение, температурна екскурзия или силно окисление), подозрителното съдържание на фосфор надвишава 0,035%. Металографското изследване на повредената обвивка ще разкрие широко разпространена кавитация на границата на зърното с празнини, понякога украсени с богати на фосфор фази, видими от EDS или Auger. Изгледът на повърхността на фрактурата ще бъде матов и фасетиран, предимно междузърнест. Нивото на фосфор ще бъде потвърдено чрез химическо изследване на остатъчна част от повредената обвивка (чрез ICP-OES или чрез изгаряне). В такива случаи бъдещите спецификации за обществени поръчки трябва да ограничават максималния фосфор до 0,025% или по-малко.

Заключение: Спецификация за ниско съдържание на фосфор за подобрен живот при пълзене при 600 градуса

Животът на разкъсване при пълзене при 600 градуса на нагреватели от 316 неръждаема стомана се определя от нивото на микроелементите на фосфора. Намаляването на фосфора от максимума по ASTM (0,045%) до по-малко от 0,025% удвоява живота на пълзене при 600 градуса, сменяйки нагревател, който ще се повреди за 2000-3000 часа, на такъв, който може да издържи 5000-6000 часа. Ако обвивката 316 трябва да се използва непрекъснато при температури над 550C, инженерът трябва да посочи максимално изискване за фосфор (напр.<=0.025%) on the purchase order and seek verification by mill certificate. For essential applications at 600 to 620 C, the best creep resistance achievable in the 316 family of alloys is obtained by requiring phosphorus 0.015% and upgrading to 316L made by vacuum melting. The approach described herein connects phosphorus content to a quantitative increase in creep life, allowing purchasers to select 316 sheaths that offer the most resistance to grain boundary creep cavitation at high temperature.