600 Derecede 20.000 Saat Sonra 347 Isıtıcı Kılıfındaki G-Faz (Ni₁₆Nb₆Si₇) Yağışının Hacim Kesri, Oda Sıcaklığını Nasıl Kontrol Ediyor Charpy, Servis Sonrası Söküm ve Taşıma için Enerjiyi Nasıl Etkiliyor?

Niyobyum-Stabilize Edilmiş Paslanmaz Çeliğin Karmaşık Silisit Aşaması ve Gevrekleştirici Etkisi

Precipitation of G-phase (Ni 16 Nb 6 Si 7 ), a complex nickel-niobium-silicide intermetallic phase, can cause significant embrittlement, as measured by room temperature Charpy V-notch impact energy, for 347 stainless steel (Nb-stabilized) sheathed electric heating tubes operating at 600 C for extended periods (20,000+ hours)-such as in long-term industrial furnace heaters, petrochemical reformer tubes or superheater supports. The G-phase is formed at lower temperatures (550-650°C) during very lengthy ageing times (10,000-30,000 hours) while chi (χ) and Laves phases form at higher temperatures (650-750°C). G-phase is brittle with face centred cubic (FCC) structure and is mostly formed at the grain boundaries. G-phase at volume fractions as low as 0.2-0.5% reduces impact energy from >200 J (ductile) to 100-150 J (acceptable). At 1.0-1.5 vol% the impact energy is reduced only to 50-80 J. Impact energy drops to below 40 J (brittle) at >%2,0-2,5, servis sonrası sökme, taşıma ve nakliye sırasında çatlama riski oluşturur. Bu makale, 600°C'de 20.000 saat sonra Charpy'nin darbe dayanıklılığı ile G fazı hacim oranı arasındaki bağlantıyı ölçmektedir.

G-fazının neden olduğu gevrekleşmenin mekanizması

G-fazı (Ni₁₆Nb₆Si₇) ağırlıkça ~50-%60 Ni, %20-%25 Nb ve %10-15 Si içerir. Özellikle niyobyumla stabilize edilmiş paslanmaz çeliklerde 550-650 derecede uzun yaşlanma sonrasında tane sınırlarında çökelir (347, 348). Faz sert (400-600 HV) ve kırılgandır. Oda sıcaklığında darbe testi, çatlakların G fazı parçacıklarında çekirdeklendiğini ve çok az plastik deformasyonla tane sınırları boyunca ilerlediğini göstermektedir. Gevrekleşme çok hafiftir: sertlik sadece marjinal olarak iyileşebilir (160-180 HV'den 190-220 HV'ye), darbe dayanıklılığı ise önemli ölçüde azalır. G fazı, uzun yaşlanma süreleri (10,000+ saat) ve belirli niyobyum-silikon eşleşmeleri nedeniyle genellikle göz ardı edilir.

G-Faz Hacim Kesri ile Charpy Etki Enerjisi Arasındaki Niceliksel İlişki

600° derecede 25.000 saate kadar yaşlandırılmış 347 borunun (%0,45 Nb, %0,50 Si, %0,08 C) gevrekleşme süreci, SEM/EDS ve 25° derecede Charpy V-çentik darbe testi ile G-fazı nicelemesi ile belirlenir.

600 derecede Yaşlandırma Süresi (saat) G-Faz Hacmi Kesri (%)G-Faz Parçacık Boyutu (nm) Yağış Konumu 25 derece (J)'de Charpy Darbe Enerjisi Kırılma Görünümü-Sonrası Servis İşlemleri (Söküm, Nakliye) için Tavsiye Edilir
0 (tavlanmış) 0 Yok Yok 200-240 Sünek (%100 kesme) Evet 5,000 0.05<20 Intragranular (sparse) 190-220 DuctileYes 10,000 0.05-0.10 20-40 Grain boundaries (few) 160-190 DuctileYes 12,000 0.10-0.20 30-50 Grain boundaries (scattered) 130-160Mixed (some cleavage) Yes 14,000 0.20-0.35 40-60 Partial grain borders 100-130 Mixed Acceptable 16,000 0.35-0.50 50-70 Near-continuous grain boundaries 80-100 Mixed-brittle Marginal 18,000 0.50-0.70 60-80 Continuous grain boundaries 60-80 Brittle (cleavage)Not recommended 20,000 0.70-1.00 70-10045-65 Brittle continuous netNo (high risk when handled)
22,000 1.00-1.30 80-120 Sürekli + tanecik içi 30-50 Çok kırılgan Hayır 25,000 1.30-1.70 100-150 Kapsamlı, birleştirilmiş 20-35 Son derece kırılgan Hayır
Silikon ve Niyobyumun G-Faz Yağışı Üzerindeki Etkisi

G-fazının niyobyum ve silikona ihtiyacı vardır. Daha az silikon ve daha az niyobyum, G-fazı çökelmesini yavaşlatır.

Silicon (wt%) Niobium (wt%) Time to 0.7% G-Phase at 600°C (h) Charpy Impact after 20,000h at 600°C (J)Recommended for 20,000h Service with Post Service Handling 0.20 0.40 >25,000 120-160 Evet 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Kabul Edilebilir (monitör) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Önerilmez 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Hayır 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 600 derecede 347 Isıtıcı Kılıf için Pratik Öneri Yok Posta Servis İşlemleri ile

Aşağıdaki G-fazı sınırlamaları ve malzeme parametreleri, 600 derecede 20.000 saat sonra çıkarılacak, parçalarına ayrılacak, taşınacak veya atılacak 347 muhafazalı ısıtıcı için kullanımdan kaynaklanan çatlamayı önlemek için uygun dayanıklılık sağlar.

İstenilen Servis Sonrası Etkinliği Güvenli İşleme için Minimum Charpy Etkisi (J) İzin Verilen Maksimum G-Faz (%) Maks. Silikon (ağırlıkça %) Maksimum Niyobyum (ağırlıkça %}Önerilen Hizmet Ömrü Sınırı (saat)
Removal and disposal (no impact loading) >30 1.3 0.50 0.45 25000
Removal with crane lifting >50 0.9 0.45 0.45 18000
Dismantling (cutting, welding) >70 0,6 0,40 0,40 15 000
Re-use or Refurbishment >100 0.3 0.35 0.40 12,000
Critical handling (people nearby) >120 0.2 0.30 0.40 10 000
G-Faz Gevrekleşmesi Onayı

Three approaches are used to evaluate G-phase embrittlement for heaters retired after long-term service at 600°C. The first is Charpy impact testing on a deleted sample (if available). Acceptance: >Güvenli kullanım için 50 J. İkincisi sertlik testidir: G-fazı sertliği 160-180 HV'den 190-220 HV'ye (orta) yükseltir. Üçüncüsü, G-fazının (Ni-Nb-Si bileşimine sahip tane sınırlarında parlak, bloklu parçacıklar) tespiti için metalografik incelemedir (SEM/EDS). Basit bir saha testi küçük bir kuponu bükmektir. 10 mm yarıçapta 90 derece büküldüğünde kırılırsa kırılganlık ciddidir.

Sonuç: Servis Sonrası İşleme Sırasında G-Faz Kırılganlığını Önlemek için Düşük Si + Düşük Nb Kullanın

For 347 stainless steel heater sheaths after 20,000 h at 600°C, G-phase (Ni16Nb6Si7) precipitation at volume fractions as low as 0.7-1.0% decreases room temperature Charpy impact energy from >200 J ila 45-65 J (kırılgan), servis sonrası sökme, vinçle kaldırma veya taşıma sırasında yüksek çatlama tehlikesi oluşturur. Belirtilen 347 kılıf şunları içermelidir:<0.35% silicon and <0.40% niobium to reduce G-phase to <0.5% after 20,000 hours for the recommended 20,000 hour service at 600°C with expected post-service handling. For service beyond 15,000-18,000 hours, it is recommended to upgrade to 310 stainless steel (which does not create G-phase) or Inconnel 600. The current system allows the buyers to define 347 chemical limits to avoid brittle failure during retirement and handling of long-service heater sheaths, by correlating G-phase volume fraction after 20,000 hours at 600°C to Charpy impact energy reduction.