¿Cómo controla la fracción de volumen de la precipitación de la fase G- (Ni₁₆Nb₆Si₇) en la funda del calentador 347 después de 20.000 horas a 600 grados la energía de impacto Charpy a temperatura ambiente para el desmantelamiento y transporte post-servicio?

La compleja fase de siliciuro y el efecto fragilizante del acero inoxidable estabilizado con niobio-

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%, lo que representa un riesgo de agrietamiento durante el desmantelamiento, manipulación y envío posteriores al servicio. Este artículo cuantifica el vínculo entre la tenacidad al impacto Charpy y la fracción de volumen de la fase G después de 20.000 horas a 600 C.

El mecanismo de fragilización inducida por la fase G-

La fase G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) incluye ~50-60 % de Ni, 20-25 % de Nb y 10-15 % de Si en peso. Precipita en los límites de los granos después de un largo envejecimiento a 550-650 grados, principalmente en aceros inoxidables estabilizados con niobio (347, 348). La fase es dura (400-600 HV) y quebradiza. Las pruebas de impacto a temperatura ambiente muestran que las grietas se nuclean en partículas de fase G y viajan a lo largo de los límites de los granos con poca deformación plástica. La fragilidad es sutil: la dureza puede mejorar sólo marginalmente (de 160-180 HV a 190-220 HV), mientras que la tenacidad al impacto se reduce considerablemente. La fase G generalmente se ignora debido a los prolongados períodos de envejecimiento (10,000+ horas) y a los pares específicos de niobio y silicio.

Relación cuantificada entre la fracción de volumen de la fase G-y la energía de impacto Charpy

El proceso de fragilización de tubos 347 (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C) envejecidos a 600 grados durante hasta 25 000 horas se determina mediante cuantificación de fase G con SEM/EDS y pruebas de impacto con muesca Charpy V- a 25 grados.

Tiempo de envejecimiento a 600 grados (horas) G-Fracción de volumen de fase (%)G-Fase Tamaño de partícula (nm) Ubicación de la precipitación Energía de impacto Charpy a 25 grados (J) Aspecto de la fractura Recomendado para manipulación posterior-servicio (desmantelamiento, transporte)
0 (recocido) 0 N/A Ninguno 200-240 Dúctil (100 % de corte) Sí 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 Continuo + intragranular 30-50 Muy quebradizo No 25,000 1.30-1.70 100-150 Extenso, consolidado 20-35 Extremadamente quebradizo No
Influencia del silicio y el niobio en la precipitación de la fase G-

La fase G-necesita niobio y silicio. Menos silicio y menos niobio ralentizan la precipitación en 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 Sí 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Aceptable (monitor) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 No recomendado 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 No 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 No hay recomendaciones prácticas para 347 fundas calefactoras a 600 grados con servicio posterior Manejo

Las siguientes limitaciones de fase G-y parámetros de material proporcionan la dureza adecuada para evitar grietas debido a la manipulación de 347 calentadores revestidos que se retirarán, desmontarán, transportarán o desecharán después de 20 000 horas a 600 grados.

Actividad posterior al servicio deseada Impacto Charpy mínimo para un manejo seguro (J) Fase G-máxima permitida (%) Máx. Silicio (% en peso) Niobio máximo (% en peso) Límite 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
Confirmación de fragilización de la fase G-

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 un manejo seguro. La segunda es la prueba de dureza: la fase G-aumenta la dureza de 160-180 HV a 190-220 HV (moderada). En tercer lugar está la investigación metalográfica (SEM/EDS) para la detección de la fase G- (partículas brillantes en bloques en los límites de los granos con composición de Ni-Nb-Si). Una prueba de campo sencilla consiste en doblar un pequeño cupón. Si se parte cuando se dobla 90 grados en un radio de 10 mm, la fragilidad es grave.

Conclusión: Utilice Low Si + Low Nb para evitar la fragilización de la fase G-durante el manejo posterior-al servicio

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) produciendo un alto peligro de agrietamiento durante el desmantelamiento posterior al servicio, levantamiento con grúa o tránsito. Las fundas 347 especificadas deben 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.