600 度で 20,000 時間経過後の 347 ヒーター シース内の G- 相 (Ni₁₆Nb₆Si₇) 析出物の体積分率は、使用後の解体と輸送のための室温シャルピー衝撃エネルギーをどのように制御するか?-

ニオブ-安定化ステンレス鋼の複雑なケイ化物相と脆化効果

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%、サービス後の分解、取り扱い、輸送中に亀裂が生じる危険性があります。この記事では、600℃で20,000時間後のシャルピー衝撃靱性とG相体積分率との関係を定量化しています。

G-相誘発脆化のメカニズム

G-相（Ni₁₆Nb₆Si₇）には、重量で約50-60%のNi、20-25%のNb、および10-15%のSiが含まれています。これは、主にニオブ安定化ステンレス鋼 (347、348) で、550 ～ 650 度での長時間時効後に粒界に析出します。相は硬く (400 ～ 600 HV)、脆いです。室温衝撃試験では、亀裂が G 相粒子で核生成し、塑性変形をほとんど伴わずに粒界に沿って進むことが示されています。脆化は微妙です。衝撃靱性は大幅に低下しますが、硬度はわずかに向上する可能性があります (160 ～ 180 HV から 190 ～ 220 HV)。 G 相は、長時間のエージング期間 (10,000+ 時間) と特定のニオブとシリコンの組み合わせのため、一般に無視されます。

G 相の体積分率とシャルピー衝撃エネルギーの間の定量化された関係

600 度で最大 25,000 時間時効させた 347 チューブ (0.45% Nb、0.50% Si、0.08% C) の脆化プロセスは、SEM/EDS による G- 相の定量化と 25 度でのシャルピー V- ノッチ衝撃試験によって測定されます。

600 度での時効時間 (時間) G- 相の体積分率 (%)G- 相の粒子サイズ (nm) 降水位置 25 度でのシャルピー衝撃エネルギー (J) 破壊外観 サービス後の取り扱い (解体、輸送) の推奨-
0 (焼きなまし) 0 N/A なし 200-240 延性 (100% せん断) あり 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 連続 + 粒内 30-50 非常に脆い いいえ 25、000 1.30-1.70 100-150 広範囲に広がり、固化 20-35 非常に脆い いいえ
G 相の降水に対するシリコンとニオブの影響-

G- 相にはニオブとシリコンが必要です。シリコンとニオブが少ないと、G- 相の析出が遅くなります。

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 はい 0.35 0.45 15,000-20,000 70-100 許容可能 (モニター) 0.50 0.45 10,000-15,000 45-65 非推奨 0.65 0.50 8,000-12,000 35-55 いいえ 0.80 0.55 6,000-10,000 25-40 なし 600 度での 347 ヒーター シースに関する実際的な推奨事項ポストサービス対応付き

以下の G- 相の制限と材料パラメータは、600 度で 20,000 時間後に取り外し、分解、輸送、または廃棄される 347 個のケース入りヒーターの取り扱いによる亀裂を防ぐ適切な靭性を提供します。

必要なアフターサービス活動安全な取り扱いのための最小限のシャルピー影響 (J) 最大許容 G- 相 (%) 最大シリコン (wt%)最大ニオブ (wt%}推奨耐用年数限界 (時間)
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-相脆化の確認

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: >安全な取り扱いのため 50 J 2 番目は硬度試験です。G- 相は硬度を 160-180 HV から 190-220 HV（中程度）に上昇させます。 3 番目は、G- 相 (Ni-Nb-Si 組成の粒界にある明るいブロック状の粒子) を検出するための金属組織検査 (SEM/EDS) です。簡単なフィールドテストは、小さなクーポンを曲げることです。半径 10 mm で 90 度曲げたときに割れた場合、深刻な脆化が発生します。

結論: サービス後の処理中の G 相脆化を回避するには、低 Si + 低 Nb を使用してください-

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 (脆性) では、サービス後の解体、クレーン吊り上げ、または輸送中に亀裂が発生する高い危険性が生じます。指定された 347 シースには次のものが含まれている必要があります。<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.