Como a fração de volume da precipitação da fase G- (Ni₁₆Nb₆Si₇) na bainha do aquecedor 347 após 20.000 horas a 600 graus controla a temperatura ambiente Energia de impacto Charpy para desmontagem e transporte pós{5}}serviço

A fase complexa de siliceto e o efeito fragilizante do nióbio-aço inoxidável estabilizado

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%, representando risco de rachaduras durante a desmontagem, manuseio e envio pós-serviço. Este artigo quantifica a ligação entre a resistência ao impacto Charpy e a fração volumétrica da fase G após 20.000 horas a 600°C.

O mecanismo de fragilização induzida pela fase G-

A fase G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) inclui ~50-60% Ni, 20-25% Nb e 10-15% Si por peso. Precipita nos limites dos grãos após um longo envelhecimento a 550-650 graus, principalmente em aços inoxidáveis ​​estabilizados com nióbio (347, 348). A fase é dura (400-600 HV) e quebradiça. Os testes de impacto à temperatura ambiente mostram que as fissuras nucleam as partículas da fase G e viajam ao longo dos limites dos grãos com pouca deformação plástica. A fragilização é sutil: a dureza pode melhorar apenas marginalmente (de 160-180 HV para 190-220 HV), enquanto a resistência ao impacto reduz consideravelmente. A fase G é comumente desconsiderada devido aos longos períodos de envelhecimento (10,000+ horas) e aos pares específicos de nióbio-silício.

Relação quantificada entre a fração de volume da fase G- e a energia de impacto Charpy

O processo de fragilização de tubos 347 (0,45% Nb, 0,50% Si, 0,08% C) envelhecidos a 600 graus por até 25.000 horas é determinado pela quantificação de fase G-com SEM/EDS e teste de impacto de entalhe Charpy V-a 25 graus.

Tempo de envelhecimento a 600 graus (horas) G-Fração de volume de fase (%)G-Tamanho de partícula de fase (nm) Localização da precipitação Energia de impacto Charpy a 25 graus (J) Aparência de fratura recomendada para manuseio pós{4}}serviço (desmontagem, transporte)
0 (recozido) 0 N/A Nenhum 200-240 Dúctil (100% cisalhamento) Sim 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 Contínuo + intragranular 30-50 Muito frágil Não 25,000 1.30-1.70 100-150 Extenso, consolidado 20-35 Extremamente frágil Não
Influência do silício e do nióbio na precipitação da fase G-

A fase G-precisa de nióbio e silício. Menos silício e menos nióbio retardam a precipitação da fase G-.

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 Sim 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Aceitável (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Não recomendado 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Não 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Nenhuma recomendação prática para bainhas de aquecedor 347 a 600 graus com serviço postal Manuseio

As limitações de fase G-e os parâmetros de material a seguir fornecem resistência adequada para evitar rachaduras devido ao manuseio de aquecedores encapsulados 347 que serão removidos, desmontados, transportados ou descartados após 20.000 horas a 600 graus .

Atividade pós-serviço desejadaImpacto Charpy mínimo para manuseio seguro (J) Fase G-máxima permitida (%) Máx. Silício (em peso%) Máximo de Nióbio (em peso}Limite de vida útil recomendado (horas)
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-Confirmação de fragilização da fase

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: >50 J para manuseio seguro O segundo é o teste de dureza: a fase G-aumenta a dureza de 160-180 HV para 190-220 HV (moderado). O terceiro é a investigação metalográfica (SEM/EDS) para detecção da fase G- (partículas brilhantes e em blocos nos limites dos grãos com composição Ni-Nb-Si). Um teste de campo simples é dobrar um cupom minúsculo. Se ele se partir quando dobrado em 90 graus em um raio de 10 mm, a fragilização é grave.

Conclusão: use baixo Si + baixo Nb para evitar a fragilização da fase G-durante o manuseio pós{2}}serviço

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 a 45-65 J (frágil) produzindo um alto risco de rachaduras durante a desmontagem pós-serviço, elevação de guindaste ou trânsito. As bainhas 347 especificadas devem incluir<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.