เศษส่วนของปริมาตรของเฟส Laves (Fe₂Mo) ตกตะกอนที่ 650 องศาอย่างไรในระหว่างบริการระยะยาว-ของท่อปลอกฮีตเตอร์ 316L ควบคุมการแตกร้าวของคืบ การลดความเหนียวของท่อ

ผลกระทบของโมลิบดีนัม-เฟสอินเตอร์เมทัลลิกที่เข้มข้นต่อการเกิดการแตกตัว

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% (เหนียว) ถึง<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.

กลไกของการแตกตัวของระยะลาเวส

เฟสลาเวส (Fe2Mo) เป็นโครงสร้างอัดแน่น (HCP) หกเหลี่ยม- อุดมไปด้วยโมลิบดีนัม (Mo 35-45%) และซิลิคอน (Si 3-5%) โดยตกตะกอนจากเมทริกซ์ออสเทนไนต์อิ่มตัวยวดยิ่งเมื่อสัมผัสเป็นเวลานานที่ 550-700 องศา จลนพลศาสตร์ของการตกตะกอนจะช้าเมื่อเทียบกับเฟสไคที่มี > 1,000-2,000 ชั่วโมงที่ 650C เพื่อให้ได้เศษส่วนของปริมาตรที่มีนัยสำคัญ ระยะนี้แข็งและเปราะ และการมีอยู่ของระยะดังกล่าวจะนำไปสู่เส้นทางการแตกหักง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันตกแต่งขอบเขตของเมล็ดข้าว ตรงกันข้ามกับเฟสไคและซิกมา ซึ่งลดความแข็งแรงด้วย เฟส Laves จะทำให้วัสดุเปราะเป็นหลัก และลดความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกก่อนที่จะแตก สิ่งนี้เป็นอันตรายอย่างยิ่งในปลอกตัวทำความร้อน เนื่องจากอาการทั่วไปของความล้มเหลวคือการบวม (เส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้น) เนื่องจากการคืบ ในระยะการเปราะของ Laves การแตกสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วโดยไม่มีการเสียรูปก่อนหน้านี้อย่างเห็นได้ชัด

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างเศษส่วนของปริมาตรเฟสลาเวสกับความเหนียวของการแตกร้าวที่ 650 องศา

การควบคุมอายุของท่อ 316L (2.2 wt% Mo, 0.02 wt% C, 0.08 wt% N) ที่ 650 องศาเป็นเวลาสูงสุด 20,000 ชั่วโมง ตามด้วยการทดสอบการแตกของครีพที่ 650 องศาและ 80 MPa ได้แสดงให้เห็นถึงจลนพลศาสตร์ของการตกตะกอนของเฟส Laves และการสูญเสียความเหนียวต่อไปนี้

เวลาการเสื่อมสภาพ (ชั่วโมง) 650 องศา เศษส่วนของปริมาตรเฟสของ Laves (%) ขนาดอนุภาคของเฟสของ Laves (นาโนเมตร) จุดตกตะกอน การแตกของครีป การยืดตัวที่ 650 องศา (%) โหมดการแตกของตัว แนะนำให้ใช้สำหรับบริการที่ต้องการความเหนียว (คำเตือนสูงก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว)
0 (อบอ่อน) 0 N/A ไม่มี 20-30 ความเหนียว (ทรานเกรน) ใช่ 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 กว้างขวาง<2 Extremely brittle No 
อิทธิพลของปริมาณโมลิบดีนัมต่อจลนพลศาสตร์ของการตกตะกอนของลาเวส

อัตราการตกตะกอนของเฟส Laves เป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของโมลิบดีนัม Mo ต่ำกว่า (2.0–2.2%) เหมาะสำหรับการต้านทานการเปราะของ Laves

ปริมาณโมลิบดีนัม (wt%) เวลาถึง 1.0% ลาเว่ที่ 650 องศา (ชั่วโมง) การยืดตัวของการแตกของคืบหลังจาก 10,000 ชั่วโมงที่ 650 องศา (%) อุณหภูมิการใช้งานสูงสุดที่แนะนำสำหรับ 10,000 ชั่วโมงชีวิต เหล็ก ช่วงอุณหภูมิ ช่วงอุณหภูมิ ช่วงอุณหภูมิ 2.0 (ต่ำสุด 316) 6000-8000 5-8 640 องศา 2.2 (ประเภท 316L) 4000-6000 4-6 630 องศา 2.4 2500-4000 3-5 620 องศา 2.5 (สูงสุด 316L) 1500-3000 2-4 610 องศา 2.8 (ใกล้ 317L) 800-1500 1-3 600 องศา คำแนะนำเชิงปฏิบัติสำหรับปลอกฮีตเตอร์ 316L ที่การบริการ 650 องศา

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
การตรวจสอบระยะ Laves และความเหนียวลดลง

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% ถึง<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.

สรุป: เพื่อป้องกันการเปราะของ Laves ให้จำกัดเนื้อหา Mo และเงื่อนไขการบริการ

สำหรับปลอกเครื่องทำความร้อนสแตนเลส 316L ที่ทำงานที่ 650 องศา เฟส Laves (Fe2Mo) จะตกตะกอนหลังจาก 2,000-6,000 ชั่วโมง และมีเศษส่วนของปริมาตร 0.6-1.5% หลังจาก 5,000-10,000 ชั่วโมง ในระดับเหล่านี้ ความเหนียวของการแตกของครีพจะลดลงจาก > 20% เป็น 5-8% ซึ่งส่งผลให้เกิดความล้มเหลวแบบเปราะ (การแตกอย่างกะทันหันโดยไม่ต้องมีมาก่อน) แทนที่จะเป็นความล้มเหลวจากการดัด (คำเตือนการบวมที่มองเห็นได้) อายุการใช้งานของปลอก 316L นั้นจำกัดอยู่ที่<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 ชม. ที่ 650 องศา ลองอัปเกรดเป็น 347 (ไนโอเบียมเสถียรและไม่ก่อให้เกิดเฟส Laves) หรือสแตนเลส 310 กรอบการทำงานที่ให้ไว้ที่นี่เกี่ยวข้องกับเศษส่วนของปริมาตรเฟส Laves กับการลดความเหนียวของการแตกร้าวของครีปที่ 650 องศา และช่วยให้ลูกค้าสามารถกำหนดเคมีของวัสดุและระยะเวลาการบริการสูงสุดที่จะป้องกันความล้มเหลวเปราะในการให้บริการเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิสูงในระยะยาว