Защо дълбочината на слоя за обезвъглеродяване на повърхността на обвивките на нагревателите от неръждаема стомана 316 от контрола на отгряването на разтвора е висока-температура при пълзене Живот на разкъсване

Зоната на изчерпване на въглерода като ограничаващ якостта дефект в тънкостенна-тръба

При отгряване в разтвор на 316 електрически нагревателни тръби, обвити от неръждаема стомана, което обикновено се извършва в пещ с контролирана среда, при температура от 1040-1100 градуса, контактът на повърхността на горещия метал с атмосферата на пещта може да причини образуването на слой за обезвъглеродяване. Този слой е с дълбочина между 10 и 150 µm и съдържа по-ниска концентрация на въглерод от основния метал (обикновено по-малко от 0,02 % C за разлика от номиналните 0,03-0,08 % C). Декарбуризацията е добре{10}}известен проблем при компонентите с дебел-секция, но ефектът му е непропорционално тежък при тънкостенните нагревателни обвивки (1,0-2,0 mm дебелина на стената). Декарборизираният слой има по-ниска якост на пълзене при висока температура (над 550 градуса) и се превръща в предпочитано място за създаване и последващо разкъсване на кухини при пълзене. Дълбочината на обезвъглеродяване е директният определящ фактор за оставащия живот при разкъсване при пълзене за нагреватели, използвани при високотемпературни въздушни или газови услуги с температури на обвивката над 600 градуса. Тази статия оценява връзката между дълбочината на обезвъглеродяване, фракцията на дебелината на стената и намаляването на живота при пълзене и предоставя ограничения на спецификациите за отгряване в контролирана атмосфера.

Механизмът за обезвъглеродяване в процеса на отгряване на разтвора

Основната цел на отгряването в разтвор на неръждаема стомана 316 е да се разтворят всякакви хромни карбиди, събрани по време на предишна обработка, и да се рекристализира структурата на зърната. Това включва нагряване до 1040-1100 градуса за достатъчен период от време (често 5-30 минути в зависимост от дебелината на секцията). При такива температури въглеродът е силно подвижен в аустенитната решетка (коефициент на дифузия от порядъка на 10-10 m2/s). Ако околната среда на пещта съдържа кислород, водна пара или въглероден диоксид, тези окисляващи видове ще реагират с въглерод на металната повърхност, за да генерират въглероден оксид или въглероден диоксид, които ще напуснат повърхността. Концентрационният градиент на въглерода причинява дифузия на въглерода отвътре към повърхността и процесът на обезвъглеродяване продължава. В напълно окисляваща атмосфера (въздух) дълбочината на обезвъглеродяване може да достигне 100-200 µm след 20 минути при 1050 градуса. Декарборизацията е сведена до минимум, но не и изкоренена във водородна атмосфера (типично за ярко отгряване), тъй като малки количества влага или кислород все още ще реагират. Декарборизацията в инертна среда като аргон или азот (приемайки, че газът е с висока чистота, т.е. съдържание на кислород < 10 ppm) е минимална. Дълбочината на обезвъглеродяване е важна за обвивките на нагревателя поради тънката стена на тръбата. Декарбюризираният слой от 100 µm на 1,5 mm стена би бил 6,7 % от дебелината, но спадът на якостта на пълзене е значително по-голям от съответната дебелина, поради факта, че обезвъглеродената зона има по-малко наличен въглерод за утаяване. Произтичащият живот на разкъсване при пълзене при 650 градуса може да бъде намален с 50-80% в сравнение с напълно карбуризирана или карбуризирана неутрална обвивка.

Количествено влияние на дълбочината на обезвъглеродяване върху свойствата на разкъсване при пълзене

Тестовете за пълзене на неръждаема стомана 316 при 650 градуса и 700 градуса с контролирано повърхностно съдържание на въглерод показаха висока връзка между дълбочината на обезвъглеродяване и времето за разрушаване при дадено напрежение. За наложено обръчно напрежение от 50 MPa (вътрешното налягане, дължащо се на термично разширение в ограничени нагреватели), животът на разкъсване на тръба с дебелина на стената 1,5 mm и направена от напълно карбуризиран материал (0,06 % C навсякъде) е около 10 000-15 000 часа при 650 градуса. Ако върху вътрешната и външната повърхност има обезвъглероден слой от 50 µm (карбидът е намален до 0,01-0,02%) (засегнати са общо 100 µm), животът на разкъсване се намалява до 5000-8000 часа - 40-50% намаление. Когато обезвъглероденият слой достигне 100 µm всяка повърхност (200 µm общо, 13 % от дебелината на стената), животът на разкъсване се намалява до 2 000-4 000 h. Драматичната редукция се дължи на факта, че кухините при пълзене се зараждат за предпочитане в обезкарбонизирания слой без малки карбидни утайки, които да закрепват границите на зърната и да възпрепятстват плъзгането на границите на зърната. Когато достигнат критичен размер, те се сливат в пукнатина, която се разпространява в останалата стена, което води до преждевременно разкъсване, въпреки че по-голямата част от дебелината на стената все още има достатъчно въглерод. Връзката между дълбочината на обезвъглеродяване, фракцията на дебелината на стената и остатъчния живот на разкъсване при пълзене за типична работа на нагревател 316 при екстремни температури е показана в таблицата по-долу.

Maximum Decarburisation Depth per Surface (µm) Wall Thickness (mm) Decarburized Fraction of Wall (%) Creep Rupture Life at 650 °C, 50 MPa (hours, relative to fully carburized) Recommended Maximum Service Temperature (°C) for 10,000-hour Life 0-10 None detectable 1.5 0-1.3 100 % (10,000-15,000) 650 10-25 1.5 1.3-3.3 80-95 % (8,000-12,000) 645 25-50 1.5 3.3-6.7 60-80 % (6,000-10,000) 635 50-75 1.5 6.7-10.0 45-60 % (4,500-7,500) 625 75-100 1.5 10.0-13.3 30-45 % (3,000-5,500) 610 100-150 1.5 13.3-20.0 15-30 % (1,500-3,500) 590 >150 1.5 >20.0 <15 % (<1,500) Not recommended above 550 Atmosphere Control During Annealing As The Primary Preventive Measure

Най-добрата техника за избягване на вредното обезвъглеродяване е отгряването на разтвора в контролирана атмосфера, или леко въглеродно (въглероден потенциал, равен на или малко над съдържанието на въглерод в стоманата), или напълно инертен с поглъщане на кислород. Пещите за светло отгряване, използващи дисоцииран амоняк (75 % H2, 25 % N2) или чист водород, осигуряват силно редуциращи условия и предпазват повърхността от окисление и обезвъглеродяване. Но дори водородните атмосфери могат да доведат до обезвъглеродяване, ако точката на оросяване е достатъчно висока (над -40 градуса), тъй като водната пара реагира с въглерода. В случай на критични приложения на нагревател, спецификацията, че отгряването трябва да се извърши в сух водород (точка на оросяване < -50 градуса) или вакуум (налягане под 10⁻³ torr) гарантира, че дълбочината на обезвъглеродяване ще се поддържа под 10 µm. За производителите на въздушни пещи (най-разпространеният тип по-евтин нагревател), дълбочината на обезвъглеродяване обикновено е 100-200 µm, което означава, че обвивката не е приемлива за обслужване над 550 градуса. Купувачите трябва да поискат доказателство за вида среда на отгряване и точката на оросяване и да поискат разрушителен металографски анализ на проба от всяка производствена партида за измерване на дълбочината на обезвъглеродяване съгласно ASTM E1077.

Доказателство от терен за отказ при пълзене поради обезвъглеродяване

За повредени високотемпературни работни-нагреватели обезвъглеродяването може да се провери чрез металография на напречно-сечение на мястото на повреда. Когато се изследва с оптична микроскопия след ецване с глицерегия или електролитна оксалова киселина, обезвъглеродената зона изглежда като безхарактерен бял слой на повърхността, свободен от карбидните утайки, които съществуват в микроструктурата на ядрото. Изпитването за микротвърдост разкри, че декарбюризираната зона е по-мека. Твърдост по Викерс от 120-140 HV в декарбюризираната зона и твърдост по Викерс от 160-200 HV в незасегнатата сърцевина. Повърхността на счупване на увреждане при пълзене, предизвикано от обезвъглеродяване-, разкрива междукристално напукване с малка пластична деформация, т.е. изглежда крехко, докато материалът е пластичен при изпитване на опън при стайна температура. Пукнатините обикновено започват от външната повърхност (където силите на пълзене от термично разширение са най-големи) и се разпространяват навътре. Един прост тест за полева диагностика е да се шлайфа малка плоска част върху повредената обвивка, след което да се полира и ецва с 10 % разтвор на оксалова киселина при 6 V DC за 60 секунди. Ако на повърхността се вижда ярка лента, значи е налице обезвъглеродяване. Периодичните измервания на диаметъра на обвивката могат да се използват за наблюдение на работещи нагреватели за подуване при пълзене - увеличение от 2-3 % в диаметъра показва напреднала повреда при пълзене и нагревателят трябва да се смени независимо от оставащото време.

Стратегии за смекчаване, когато декарбонизацията е неизбежна

За случаите на производство, при които не се използва отгряване в контролирана среда, има три подхода за намаляване на вредния ефект от обезвъглеродяването върху живота при пълзене. Първият е да се посочи тръба с по-тежка стена, например . 2.5 mm стена вместо 1,5 mm, така че обезвъглероденият корпус да е по-малка част от дебелината на стената. Например, 100 µm обезвъглероден слой върху стена от 2,5 mm е 4 % от дебелината, което е 30 µm при стена от 1,5 mm, приемливо ниво. Вторият вариант е да се извърши операция за отстраняване на повърхността след-отгряване, като безцентрово шлайфане или електрополиране, което премахва 50-100 µm материал от външната повърхност, като по този начин напълно премахва декарбюризираната зона. Това добавя разходи, но възстановява качествата на пълзене. Третият метод е облекчаване на спецификацията на максималната работна температура. Скоростите на пълзене са експоненциално зависими от температурата, така че нагревател със 100 µm обезвъглероден слой, който ще се разруши за 3000 часа при 650 градуса, може да издържи 15 000 часа при 580 градуса. За приложения, при които експлоатационната температура не може да бъде понижена, най-стабилната алтернатива е да се премине към сплав с по-висока -устойчивост на пълзене, като неръждаема стомана 310 или Inconel 600, като и двете имат различно поведение при обезвъглеродяване.

Заключения: Спецификация за контрол на атмосферата на отгряване за обслужване при висока температура

The depth of surface decarburisation during solution annealing is a significant quality criterion for 316 stainless steel encased heaters for continuous service above 550 °C in air or gas environments, and directly influences the remaining creep rupture life. For decarburisation depths >50 µm на повърхност, животът на пълзене при 650 градуса е намален с повече от половината, което би намалило живота на нагревателя от 10 000 часа до по-малко от 4 000 часа. Инженерите, специфициращи нагреватели за високотемпературни приложения, трябва да поискат потвърждение за атмосферата на отгряване (за предпочитане сух водород или вакуум), максимална дълбочина на обезвъглеродяване от 25 µm, валидирана чрез металография, и за критично обслужване подобрен сертификат за тест за пълзене при температура. Предложената архитектура свързва дълбочината на обезвъглеродяване с наличното намаляване на живота при пълзене, така че купувачите да могат да посочат 316 обвити нагревателя, които няма да се повредят рано поради напълно предотвратим повърхностен механизъм за отстраняване на въглерод, но запазват своята устойчивост при висока температура.