600도에서 20,000시간 후 347 히터 외장의 G-상(Ni₁₆Nb₆Si₇) 침전의 부피 비율이 사후-서비스 해체 및 운송을 위한 실온 샤르피 충격 에너지를 제어하는 ​​방법

복잡한 규화물 상과 니오븀-안정화된 스테인레스강의 취화 효과

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%, 서비스 후 해체, 취급 및 배송 중에 균열이 발생할 위험이 있습니다. 이 기사는 600C에서 20,000시간 후 샤르피 충격 인성과 G 상 부피 분율 사이의 연관성을 정량화합니다.

G-상으로 인한 취성 메커니즘

G-상(Ni₁₆Nb₆Si₇)에는 중량 기준으로 ~50-60% Ni, 20-25% Nb 및 10-15% Si가 포함됩니다. 이는 주로 니오브 안정화 스테인리스강(347, 348)에서 550-650도에서 장기간 노화된 후 결정립 경계에 침전됩니다. 상은 단단하고(400-600HV) 부서지기 쉽습니다. 실온 충격 테스트에서는 균열이 G상 입자에서 핵형성되고 소성 변형이 거의 없이 결정립 경계를 따라 이동하는 것으로 나타났습니다. 취성은 미묘합니다. 경도는 미미하게 향상될 수 있지만(160-180HV에서 190-220HV로) 충격 인성은 상당히 감소합니다. G상은 연장된 노화 기간(10,{18}}시간)과 특정 니오븀-실리콘 쌍으로 인해 일반적으로 무시됩니다.

G-상 부피 분율과 샤르피 충격 에너지 간의 정량화된 관계

600도에서 최대 25,000시간 동안 노화된 347개 튜빙(0.45% Nb, 0.50% Si, 0.08% C)의 취화 과정은 SEM/EDS를 사용한 G-상 정량화 및 25도에서의 Charpy V-노치 충격 테스트를 통해 결정됩니다.

600도(hrs)에서의 노화 시간 G-상 부피 분율(%)G-상 입자 크기(nm) 석출 위치 25도에서의 샤르피 충격 에너지(J) 파괴 외관 사후-서비스 처리(해체, 운송)에 권장
0(어닐링) 0 해당 없음 없음 200-240 연성(100% 전단) 예 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 연속 + 과립내 30-50 매우 부서지기 쉬움 아니요 25,000 1.30-1.70 100-150 광범위, 통합 20-35 매우 부서지기 쉬움 아니요
G-상 침전에 대한 실리콘과 니오븀의 영향

G-상에는 니오븀과 실리콘이 필요합니다. 실리콘이 적고 니오븀이 적으면 G-상 침전이 느려집니다.

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 예 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 허용(모니터링) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 권장하지 않음 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 아니요 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 아니요 347 히터 덮개에 대한 실제 권장 사항 600도(우편 서비스 처리 포함)

다음 G-상 제한 및 재료 매개변수는 600도에서 20,000시간 후에 제거, 분해, 운송 또는 폐기되는 347 내장형 히터의 취급 시 균열을 방지할 수 있는 적절한 인성을 제공합니다.

사후 서비스 활동 안전 취급을 위한 원하는 최소 샤르피 영향(J) 최대 허용 G-상(%) Max. 실리콘(wt%)최대 니오븀(wt%}권장 서비스 수명 한도(hrs)
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-상 취성 확인

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: >안전한 취급을 위한 50 J 두 번째는 경도 테스트입니다. G-단계는 경도를 160-180 HV에서 190-220 HV(보통)로 높입니다. 세 번째는 G-상(Ni-Nb-Si 조성의 결정립 경계에 있는 밝고 괴상한 입자)을 검출하기 위한 금속 조직학적 조사(SEM/EDS)입니다. 간단한 현장 테스트는 작은 쿠폰을 구부리는 것입니다. 반경 10mm에 걸쳐 90도 구부렸을 때 갈라지면 취성이 심각합니다.

결론: 낮은 Si + 낮은 Nb를 사용하여 사후-서비스 처리 중 G-상 취화 방지

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 ~ 45-65 J(깨지기 쉬움)는 사후 서비스 분해, 크레인 리프팅 또는 운송 중에 균열 위험이 높습니다. 지정된 347 피복에는 다음이 포함되어야 합니다.<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.