Comment la fraction volumique des précipitations de la phase G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) dans la gaine chauffante 347 après 20 000 heures à 600 degrés contrôle-t-elle la température ambiante de l'énergie d'impact Charpy pour le démontage et le transport après-service

La phase complexe de siliciure et l'effet fragilisant de l'acier inoxydable stabilisé au niobium-

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 %, ce qui présente un risque de fissuration lors du démontage, de la manipulation et de l'expédition après service. Cet article quantifie le lien entre la résistance aux chocs Charpy et la fraction volumique de la phase G après 20 000 heures à 600 C.

Le mécanisme de la fragilisation induite par la phase G-

La phase G-(Ni₁₆Nb₆Si₇) comprend ~50-60 % de Ni, 20-25 % de Nb et 10-15 % de Si en poids. Il précipite aux joints de grains après un long vieillissement à 550-650 degrés, principalement dans les aciers inoxydables stabilisés au niobium (347, 348). La phase est dure (400-600 HV) et cassante. Les tests d'impact à température ambiante montrent que les fissures se nucléent au niveau des particules de phase G et se propagent le long des joints de grains avec peu de déformation plastique. La fragilisation est subtile : la dureté peut s'améliorer légèrement (de 160-180 HV à 190-220 HV) tandis que la résistance aux chocs diminue considérablement. La phase G est généralement négligée en raison des durées de vieillissement prolongées (10 000+ heures) et des appariements particuliers niobium-silicium.

Relation quantifiée entre la fraction volumique de la phase G - et l'énergie d'impact Charpy

Le processus de fragilisation des tubes 347 (0,45 % Nb, 0,50 % Si, 0,08 % C) vieillis à 600 degrés pendant 25 000 heures maximum est déterminé par quantification en phase G avec SEM/EDS et test d'impact par encoche Charpy V- à 25 degrés.

Temps de vieillissement à 600 degrés (heures) G-Fraction volumique de phase (%)G-Taille des particules de phase (nm) Emplacement des précipitations Énergie d'impact Charpy à 25 degrés (J) Apparence de fracture Recommandé pour la manipulation après-entretien (démontage, transport)
0 (recuit) 0 N/A Aucun 200-240 Ductile (100 % de cisaillement) Oui 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 Continu + intragranulaire 30-50 Très cassant Non 25,000 1.30-1.70 100-150 Extensif, consolidé 20-35 Extrêmement cassant Non
Influence du silicium et du niobium sur les précipitations en phase G-

La phase G-a besoin de niobium et de silicium. Moins de silicium et moins de niobium ralentissent la précipitation de la phase 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 Oui 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 Acceptable (surveiller) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 Non recommandé 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 Non 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 Non Recommandations pratiques pour 347 gaines chauffantes à 600 degrés avec service après-vente Manipulation

Les limitations de phase G-et les paramètres de matériaux suivants fournissent une ténacité appropriée pour empêcher les fissures dues à la manipulation des 347 éléments chauffants enrobés qui seront retirés, démontés, transportés ou jetés après 20 000 heures à 600 degrés.

Activité post-service souhaitéeImpact Charpy minimum pour une manipulation sûre (J) Phase G maximale autorisée (%) Max. Silicium (% en poids) Niobium maximum (% en poids} Limite de durée de vie recommandée (heures)
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
Confirmation de fragilisation de la phase 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 pour une manipulation sûre Le deuxième est le test de dureté : la phase G-augmente la dureté de 160-180 HV à 190-220 HV (modérée). Troisièmement, l'investigation métallographique (SEM/EDS) pour la détection de la phase G- (particules brillantes et en blocs aux joints de grains avec une composition Ni-Nb-Si). Un simple test sur le terrain consiste à plier un petit coupon. S'il se fend lorsqu'il est plié à 90 degrés sur un rayon de 10 mm, la fragilisation est grave.

Conclusion : utilisez un Si faible + un Nb faible pour éviter la fragilisation de la phase G lors de la manipulation après-service

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 à 45-65 J (fragile) produisant un risque élevé de fissuration lors du démontage après service, du levage par grue ou du transport. Les 347 gaines spécifiées doivent inclure<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.