Hvordan virker volumenfraktionen af ​​Laves-fase (Fe₂Mo)-udfældning ved 650 grader under langvarig-service af 316L varmekappe-rørstyring Krybbrud Duktilitetsreduktion

Effekt af molybdæn-rig intermetallisk fase på skørhed

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% (duktil) til<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.

Mekanisme for Laves-fase-skørhed

Laves fase (Fe2Mo) er en hexagonal tæt-pakket (HCP) struktur, rig på molybdæn (Mo 35-45%) og silicium (Si 3-5%) Det udfældes fra den overmættede austenitmatrix ved langtidseksponering ved 550-700 grader. Udfældningskinetikken er langsom sammenlignet med chi-fase med > 1.000-2.000 timer ved 650C for at opnå betydelige volumenfraktioner. Fasen er hård og skør, og tilstedeværelsen af ​​sådanne faser fører til lette brudveje, især når de udsmykker korngrænser. I modsætning til chi- og sigma-faser, som også mindsker styrken, sprøder Laves-fasen hovedsageligt materialet og reducerer evnen til at deformere plastisk før brud. Dette er især skadeligt i varmekapper, fordi det konventionelle symptom på svigt er hævelse (forøgelse i diameter) på grund af krybning. I Laves-faseskørhed kan brud ske hurtigt uden nogen åbenbar forudgående deformation.

Kvantitativ korrelation mellem Laves fasevolumenfraktion og brudduktilitet ved 650 grader

Den kontrollerede ældning af 316L-slanger (2,2 vægt% Mo, 0,02 vægt% C, 0,08 vægt% N) ved 650 grader i op til 20.000 timer, efterfulgt af krybebrudstest ved 650 grader og 80 MPa, har vist følgende Laves-tabsfase-udfældningskinetik.

Ældningstid (time) 650 grader Laves fase Volumenfraktion (%) Laves fase Partikelstørrelse (nm) Udfældningssted Krybebrudsforlængelse ved 650 grader (%)Rupturtilstand anbefales til service, der kræver duktilitet (høj advarsel før fejl)
0 (udglødet) 0 N/A Ingen 20-30 Duktil (transgranulær) Ja 1.000<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 Omfattende<2 Extremely brittle No 

Udfældningshastigheden af ​​Laves-fasen er proportional med koncentrationen af ​​molybdæn. Lavere Mo (2,0-2,2%) er god til modstand mod Laves-skørhed.

Molybdænindhold (vægt%) Tid til 1,0 % laver ved 650 grader (timer) Krybebrudsforlængelse efter 10.000 timer ved 650 grader (%)Anbefalet maksimal servicetemperatur i 10.000 timer Levetid Ståltemperaturområde Temperaturområde Temperaturområde 2,0 (min.{9}(L6)type) {2}(L6)(min. 4000-6000 4-6 630 grad 2.4 2500-4000 3-5 620 grad 2,5 (maks. 316L) 1500-3000 2-4 610 grad 2,8 (nær 317L) 800-1500 1-3 600 grad Praktiske anbefalinger for 316L varmekapper ved 650 graders service

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
Verifikation af Laves fase og duktilitet fald

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 % til<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.

Konklusion: Angiv grænser for Mo-indhold og servicebetingelser for at forhindre Laves-skørhed.

For 316L rustfrit stål varmekapper, der arbejder ved 650 grader Laves fase (Fe2Mo), udfældes efter 2.000-6.000 timer og når volumenfraktioner på 0,6-1,5 % efter 5.000-10.000 timer. På disse niveauer falder krybebrudsduktiliteten fra > 20 % til 5-8 %. Dette resulterer i skørt svigt (pludselig brud uden forudgående) i stedet for duktilt svigt (advarsel om synlig hævelse). Levetiden for 316L hylstre er begrænset til<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 timer ved 650 grader, overvej at opgradere til 347 (niobium stabiliseret og producerer ikke Laves fase) eller 310 rustfrit stål. Rammen, der er givet her, relaterer Laves-fasevolumenfraktion til krybebrudsduktilitetsreduktion ved 650 grader og giver kunderne mulighed for at definere materialekemi og maksimale servicevarigheder, der vil forhindre skøre fejl i langvarig drift af højtemperaturvarmer.