Bagaimana Fraksi Volume Chi (χ) Fase Curah Hujan pada 700 derajat Selama Layanan Jangka Panjang-Pelayanan Jangka Panjang Tabung Selubung Pemanas 316L Ruang Kontrol Suhu Dampak Pengurangan Ketangguhan

Fase intermetalik yang menggelembung terbentuk pada suhu 600-800 derajat

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (ulet) sampai<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Mekanisme penggetasan fase Chi

Fase χ memiliki struktur kubik berpusat tubuh (BCC) dengan sel satuan besar (a≈ 8,9 Å) dan kaya akan molibdenum (biasanya 20-30% Mo) dan kromium (25-35% Cr). Ia mengendap terutama pada batas butir, kontak ferit-austenit, dan pada inklusi. Fase ini keras dan rapuh serta keberadaannya menyediakan jalur yang mudah untuk terjadinya patahan sepanjang batas butir. Berbeda dengan fasa sigma, fasa chi merupakan zat penggetar yang lebih kuat karena ia membentuk partikel-partikel kecil dengan jarak berdekatan yang membentuk jaringan getas yang berkesinambungan pada fraksi volume yang lebih rendah. Maksimum diamati pada suhu 700 derajat dan penuaan 1.000-5.000 jam tergantung pada kandungan molibdenum. Standar 316L (2,0-2,5% Mo) rentan; peningkatan molibdenum (2,5-3,0% Mo, mendekati 317L) meningkatkan laju produksi chi.

Hubungan Kuantitatif antara Panas-Fraksi Volume yang Diolah dan Ketangguhan Benturan pada 700 derajat

Perkembangan penggetasan ditentukan dengan penuaan terkontrol dari pipa 316L pada 700 derajat (hidung kurva TTT fase chi) dengan waktu penuaan yang berbeda diikuti dengan kuantifikasi fase chi (difraksi sinar X-, SEM) dan pengujian dampak takik Charpy V-pada suhu kamar (20 derajat).

Waktu Penuaan pada 700 derajat (h)Faksi Chi Fraksi Volume (%Chi Ukuran Partikel (nm) Lokasi Curah Hujan Suhu Ruangan Dampak Energi (J, Charpy V-takik) Tampilan Permukaan Rekahan Direkomendasikan untuk Servis yang Membutuhkan Ketangguhan
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Lebar, lebih tua 5-10Sangat rapuh No
Diagram TTT untuk Fase Chi pada 316L

Diagram TTT fasa chi dalam 316L (2,3% Mo) menunjukkan bahwa pengendapan tercepat terjadi pada suhu 700 o C dan waktu hidung sekitar 1.000-2.000 jam.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Pengaruh Kandungan Molibdenum terhadap Laju Curah Hujan Chi

Molibdenum yang lebih tinggi mendorong pengendapan fase chi. Molibdenum yang lebih rendah baik untuk servis pada suhu 700 derajat.

Kandungan Molibdenum (%) Waktu hingga 1,0% Chi pada 700 derajat (jam) Energi Dampak setelah 2.000 jam pada 700 derajat (J) Suhu Maksimum yang Direkomendasikan untuk 10.000 jam Kehidupan 2.0 (minimum 316) 1.500-2,500 30-60 650 derajat 2.2 (umumnya 316L) 1.000-1,800 25-50 640 derajat 2,5 (maksimum 316L) 600-1,000 15-35 620 derajat 2,8 (mendekati 317L) 300-600 10-25 600 derajat 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 derajat Rekomendasi Praktis untuk Selubung Pemanas 316L pada Servis 700 derajat

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) untuk selubung pemanas 316L pada atau sekitar 700 derajat, batasan servis berikut berlaku.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (tidak dapat diterima)<600 310 or Inconel 600
Apa pun yang mengalami siklus termal, penghematan waktu 50% Di Atas, Promosikan ke kelas berikutnya
KARAKTERISASI CHI-FASE EMBRITTLEMENT

Tiga metode mengukur penggetasan fasa chi untuk pemanas yang telah dioperasikan pada 600-750 derajat . Pertama, pengujian kekerasan. Kekerasan meningkat dari 160-180 HV menjadi 220-300 HV karena perkembangan fasa chi. Yang kedua adalah metalografi lapangan (replika). Permukaan yang dipoles dan digores pada 500-1.000 mungkin menunjukkan endapan chi pada batas butir. Yang ketiga adalah uji dampak yang disederhanakan. Jika bagian dari pemanas dapat dilepas, uji Charpy berukuran kecil dapat menilai hilangnya ketangguhan. Difraksi sinar-X (XRD) atau SEM/EDS adalah cara pasti untuk mengidentifikasi fase chi secara langsung.

Kesimpulan: Menetapkan Batasan Pelayanan untuk Mencegah Penggetasan Chi

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J hingga 30-60 J (patah getas). Insinyur yang menentukan selubung 316L untuk layanan di atas 650 derajat harus menentukan total waktu yang dihabiskan di wilayah 600-750 derajat dan membandingkannya dengan batasan yang ditunjukkan dalam diagram TTT. Untuk 1000 hingga 2000 jam pada suhu 700 derajat atau 5000 hingga 10000 jam pada suhu 650 derajat, disarankan untuk meningkatkan ke baja tahan karat 347 (yang distabilkan oleh niobium, tidak membentuk chi) atau baja tahan karat 310 (austenitik sepenuhnya, kromium lebih tinggi). Pendekatan yang diusulkan di sini menghubungkan persentase volume fasa chi dengan hilangnya ketangguhan dampak suhu ruangan yang dapat diukur dan memungkinkan pembeli untuk menetapkan batasan suhu-waktu yang mencegah penggetasan selubung pemanas 316L dalam penggunaan suhu tinggi jangka panjang.