Miks pikendab 316 roostevabast terasest küttekeha torustik alla 0,025% fosforisisaldus 600 kraadi juures roomamisrebenemise kestust 2 korda

Fosfori jälgede segregatsiooni mõju teraviljapiiride murenemisele

Roostevabast terasest 316 plakeeritud elektriküttetorude puhul, mis töötavad kõrgel temperatuuril (600 kraadi, tüüpiliselt kõrge temperatuuriga õhu- või gaasikütterakenduste puhul), on maksimaalselt 0,045% ASTM A240 kohta määratud fosforisisaldus kriitiline, kuid sageli tähelepanuta jäetud mikroelement, mis reguleerib otseselt roomamisrebenemise eluiga. Temperatuuridel, mis on kõrgemad kui umbes 500 kraadi, eraldub fosfor terapiiride külge ja vähendab terapiiride kohesiivsust ja suurendab roomamiskavitatsiooni tuuma moodustumise kiirust. Eraldumine järgib tasakaalulise adsorptsiooni isotermi: isegi nii madalal puistetasemel kui 0,025% P, võib tera piirkontsentratsioon olla 1–5% P, mis on piisav roomamise kavitatsiooni kiirusest kaks korda suuremaks. Fosfori kontsentratsiooni vähendamine ASTM-i maksimumilt 0,045% alla 0,025% kahekordistab roomamisrebenemise kestust 600 kraadi juures. Fosforisisalduse edasine vähendamine 0,025%-lt alla 0,015%-ni pikendab roomamisrebenemisaega veel 30-50%. See artikkel pakub kõrgtemperatuurilise teenuse spetsifikatsiooni metoodikat, mis kvantifitseerib seose fosfori kontsentratsiooni, tera piiride segregatsiooni ja roomamisaja vahel 316 ümbrise puhul.

Fosfori poolt indutseeritud roomamise rabestumise mehhanism

Phosphorus is an impurity in 316 stainless steel, introduced during the steel-making process. Phosphorus has a greater atomic radius than iron ( 1.10 Å vs 1.24 Å , really P is smaller-correction: P atomic radius is roughly 1.06 Å , Fe is 1.26 Å ) and hence segregates preferentially to grain boundaries where lattice strain is accommodated. Phosphorus diffuses fast along the grain boundaries at high temperatures (>500 kraadi ) ja saavutab tasakaalulise segregatsioonitaseme suurusjärgus 100-1000 tundi. Fosfor alandab metalli ja vakantsi kontakti pinnaenergiat tera piiril, mis soodustab roomamisõõnsuste tuuma moodustumist. Õõnsuse tuuma moodustumise kiirus on võrdeline exp(C x CP,gb/kT), kus CP,gb on fosfori kontsentratsioon tera piiril. Tugev segregatsioonikalduvus põhjustab tuuma moodustumise kiiruse eksponentsiaalset suurenemist isegi vähese fosforisisalduse suurenemisega. 316 puhul on segregatsioonitegur (tera piirkontsentratsioon suurem kui puistekontsentratsioon) 600 kraadi juures umbes 50-100. Nii et 0,025% puistekontsentratsioon annab 1,25-2,5% tera piirkontsentratsiooniks ja 0,045% annab 2,25-4,5% - piisab tuuma moodustumise kiiruse neljakordistamiseks.

Fosforisisalduse kvantitatiivne korrelatsioon ja roomamisrebenemisaeg 600 kraadi juures

Kontrollitud fosforisisaldusega (sama kroom, nikkel, molübdeen ja süsinik) 316 toru roomemisrebenemise katsed 600 kraadi juures ja rakendatud pingega 80 MPa (tüüpiliste küttekehade puhul soojuspaisumisest tingitud rõngaspinge tüüpiline) on välja töötanud järgmise seose.

Fosfori puistesisaldus (massi%) Terade piirfosfori kontsentratsioon 600 kraadi juures (% juures, arvutatud) Aeg kuni 1% roomamiskavitatsioon (tundi, 600 kraadi, 80 MPa) Roomamisrebenemise eluiga (tundi, 600 o C, 80 MPa) Suhteline baasväärtus{6}} 600 kraadi teenindus<0.010 <0.5 2,500-3,500 8,000-12,000 2.5-3.5× Best (premium grade) 0.010-0.015 0.5-0.8 2,000-2,800 6,500-9,000 2.0-2.8× Excellent 0.015-0.020 0.8-1.2 1,500-2,200 5,000-7,000 1.6-2.2× Recommended 0.020-0.025 1.2-1.8 1,200-1,800 4,000-5,500 1.3-1.7× Acceptable 0.025-0.030 1.8-2.5 1,000-1,500 3,200-4,500 1.0-1.4× Marginal 0.030-0.035 2.5-3.5 800-1,200 2,500-3,800 0.8-1.1× Not recommended for long life
0.035-0.040 3.5-5.0 600-1,000 2,000-3,000 0.6-0.9× Kehv 0,040-0,045 (ASTM max.) 5.0-7.0 500-800 1,500-2,500 0.5-0.8× 600 kraadi jaoks vastuvõetamatu
Temperatuuri mõju fosfori hapruse ulatusele

Fosfori mõju roomamisajale on kõrgemal temperatuuril kahjulikum tänu fosfori difusiooni suurenemisele ja terade piiride segregatsiooni kiiremale saavutamisele. Erinevus 0,015% ja 0,045% P vahel on umbes 1,5-kordne roomeaeg 550 kraadi juures. Erinevus on 2-2,5 600 kraadi juures. 650 kraadi juures on erinevus rohkem kui 3 korda, kuid 316 on sellel temperatuuril minimaalne kogu fosforisisalduse puhul. Küttekehade puhul, mille temperatuur on 600–620 kraadi (umbes ülempiiri 316 puhul), on madala fosforisisaldusega valimine 5+-aastase kasutusea saavutamiseks ülioluline.

Operating Temperature (°C) Creep Life Ratio (0.015% P / 0.045% P) under Equal StressMaximum P Recommended for 10,000 hr Life (wt%) 500 1.2 0.045 550 1.5 0.035 580 1.8 0.025 600 2.0-2.5 0.020 620 3.0 0.015 650 >4.0 (316 pole soovitatav)<0.010 (upgrade alloy)
MADALA FOSFORSISALDUSE SPETSIFIKATSIOON KÕRGE-TEMPERATUURIGA KUJENDUSE TEENUSELE

Allpool on soovitatud fosforisisalduse kriteeriumid 316 ümbrisega küttekehale, mis on pidevas kasutuses 600 kraadise kesta temperatuuril, sõltuvalt soovitud pikaealisusest.

Max Fosforisisaldus (massiprotsentides) Soovitud kasutusiga 600 kraadi juures (tundides) Tüüpiline vastava klassi lisatasu üle standardi 316<2,000 (intermittent duty) 0.045 (standard) Standard 316 None 2,000-4,000 0.030 316 with P control 5-10% 4,000-6,000 0.020 316L low P 10-15% 6,000-10,000 0.015 Premium 316L 15-25% >10,000 0.010 Vaakum-ümbersulatatud 316L 30–50% (soovitatav uuendada 310-le)
Fosforisisalduse ja roometugevuse kontrollimine

Ostjatele, kes vajavad madala-fosfor-316 kõrgel-temperatuuril teenindamiseks, on vastavuse kontrollimiseks saadaval kolm võimalust. Esiteks on veski sertifikaat, mis peab sisaldama fosforianalüüsi (tavaliselt ICP või põlemisanalüüsiga) kontrollitud maksimumiga. 2. Lihtsustatud roomamiskatse: toru proovi kuumutatakse 600 kraadi juures püsiva 100 MPa koormuse all õhu käes 500 tundi. Pärast testimist kontrollitakse proovi metallograafiliselt kavitatsiooni suhtes. Teravilja piiriala < 1% kavitatsiooniga on vastuvõetav. Kolmas meetod on mõranenud terapiiri Auger-elektronspektroskoopia (AES), mis võimaldab otseselt kvantifitseerida fosfori segregatsiooni, kuid see on kulukas ja reserveeritud rikete uurimiseks. Enamikul juhtudel on piisavaks tagatiseks veski sertifikaat, mis näitab fosforit vähem kui 0,025%, ja roomekatse sertifikaat (või tarnija garantii).

Fosfori põhjustatud roomamisrebendi välidiagnostika

Kui 316 kütteseade läheb enneaegselt rikki 550{6}}620 kraadi juures roomamise tõttu (liigne mõhk, millele järgneb pikisuunaline rebend) ja muud põhjust (kõrge pinge, temperatuuri kõikumine või tugev oksüdatsioon) ei leita, kahtlustatakse fosforisisaldust üle 0,035%. Katkeva ümbrise metallograafiline uuring paljastab laialt levinud tera piiride kavitatsiooni, mille tühimikud on mõnikord kaunistatud fosforirikaste faasidega, mis on nähtavad EDS-i või Augeri abil. Murdepinna välimus on tuhm ja lihvitud, enamasti teradevaheline. Fosforitaset kinnitatakse rikkis ümbrise jäänuste keemilise uurimisega (ICP-OES või põletamise teel). Sellistel juhtudel peaksid tulevased hankespetsifikatsioonid piirama maksimaalset fosforisisaldust 0,025% või alla selle.

Järeldus: madala fosforisisaldusega spetsifikatsioon parandab roomamisiga 600 kraadi juures

Roostevabast terasest 316 korpusega küttekehade roomamisrebenemisaeg 600 kraadi juures määratakse fosfori mikroelementide taseme järgi. Fosfori vähendamine ASTM-i maksimumilt (0,045%) alla 0,025% kahekordistab roomamisaega 600 kraadi juures, muutes 2000–3000 tunni pärast rikkis küttekeha selliseks, mis võib kesta 5000–6000 tundi. Kui 316 kesta kasutatakse pidevalt temperatuuril üle 550 C, peab insener määrama maksimaalse fosforivajaduse (nt.<=0.025%) on the purchase order and seek verification by mill certificate. For essential applications at 600 to 620 C, the best creep resistance achievable in the 316 family of alloys is obtained by requiring phosphorus 0.015% and upgrading to 316L made by vacuum melting. The approach described herein connects phosphorus content to a quantitative increase in creep life, allowing purchasers to select 316 sheaths that offer the most resistance to grain boundary creep cavitation at high temperature.