310S проти Incoloy 800: вибір жаростійкого-сплаву для печей і печей

вступ

Інженери печей, печей і термічної-обробки зазвичай стикаються з тим самим рішенням щодо матеріалу: обрати економічно-ефективну жаростійку-нержавіючу сталь або перейти до сплаву нікелю-заліза{-хрому, створеного для стійкої високо-температурної міцності.Нержавіюча сталь 310Sі Incoloy 800 (включаючи варіанти 800H і 800HT) є двома найбільш часто порівнюваними кандидатами для цього рішення. Обидва стійкі до окислення при високій температурі, обидва легко виготовляються та зварюються, і обидва зазвичай з’являються в дверцятах печей, муфелях, радіаційних трубках і пристосуваннях для термічної-обробки.

Однак їхня продуктивність різко відрізняється, коли в картину з’являється атмосфера науглерожування, тривале механічне навантаження або тривалі міжсервісні інтервали. У цій статті порівнюються два сплави за складом, температурною здатністю, стійкістю до окислення та науглерожування, міцністю-на розрив, вимогами до виготовлення та загальною вартістю володіння, щоб інженери та покупці могли підібрати сплав для застосування, а не навпаки.

Що металургійно відрізняє 310S від Incoloy 800?

Різниця в складі є основною причиною кожної різниці в продуктивності, розглянутої в цій статті. 310S містить хром як основний легуючий елемент і нікель як вторинний стабілізатор аустеніту, тому його класифікують як нержавіючу сталь, а не як нікелевий сплав. Incoloy 800 змінює це співвідношення: нікель є основною легуючою добавкою, хром є вторинним, а залізо складає баланс, а не основний метал. Вищий вміст нікелю є тим, що надає сплавам серії 800- стійкість до дифузії вуглецю та зберігає міцність при температурі, але нікель також є дорожчою сировиною, тому продукти серії Incoloy 800 мають постійну премію за вартістю, ніж 310S.

Джерело: ASTM A240/A480 (310S); Специфікації млина ASTM B407/B408/B409 і UNS N08810 (Incoloy 800H). Діапазони є номінальними межами специфікації; звірити з поточним звітом про випробування млина.

Дві інші деталі складу мають значення для обслуговування печі. По-перше, 310S — це низько-вуглецевий варіант стандартного класу 310 (який допускає до 0,25% вуглецю); низька кількість вуглецю в 310S покращує стійкість до сенсибілізації та міжкристалітної корозії після зварювання. По-друге, Incoloy 800H сам по собі є варіантом базового Incoloy 800 із контрольованим-вуглецем, контрольованим-розміром-зерна, а Incoloy 800HT ще більше посилює алюмінієвий-плюс-титановий діапазон - обидва удосконалення існують спеціально для підвищення опір повзучості-розриву для роботи печі та технологічного-нагрівача, який обговорюється в розділі 4.

Який сплав витримує високі безперервні робочі температури?

310S зазвичай оцінюється для постійної стійкості до окислення приблизно до 2000 градусів F (1093 градусів) і для періодичної або помірно циклічної роботи в аналогічному діапазоні через високий вміст хрому. Практичним обмежувачем для 310S у печі та печі є не окалина оксиду -, а утворення сигма-фази. Після тривалого впливу приблизно від 1200 градусів F до 1650 градусів F (650–900 градусів) нержавіюча сталь 310- може утворювати крихку інтерметалеву сигма-фазу, що знижує в’язкість і пластичність при кімнатній температурі. Обладнання, яке постійно перебуває в цьому температурному діапазоні, наприклад, дверцята печі та компоненти пальника, більш схильне до цього впливу, ніж обладнання, яке безперервно працює у верхній частині діапазону температур.

Incoloy 800Hі 800HT розраховані на тривалу-службу приблизно до 2000 градусів F (1093 градуси), з короткими-перепадами тривалості, можливими вище, ціною прискореної втрати міцності та окислення. Оскільки сплави серії 800-відпалюються в розчині-при мінімумі 2100 градусів F (1149 градусів), щоб отримати більш грубу, більш стійку до повзучості-структуру зерен, і оскільки їх вищий вміст нікелю пригнічує той самий сигма-фазовий механізм, який впливає на 310S, вони, як правило, зберігають корисну пластичність і міцність у ширшій частині робочого діапазону печі, в тому числі через повторювані термічні цикли.

Який сплав забезпечує кращу стійкість до окислювальних і науглерожувальних атмосфер?

Стійкість до окислення в обох сплавах забезпечується головним чином хромом, який утворює захисну хром-оксидну накип при високій температурі. 310S фактично містить більше хрому, ніж Incoloy 800H (приблизно 25% проти приблизно 21%), що є однією з причин, чому 310S залишається надійним і економічним у чистих окисних атмосферах, таких як повітряні печі, оболонки печі та обладнання для пальника.

Стійкість до науглерожування — це інший механізм, і тут два сплави розходяться найбільш різко. Перенесення вуглецю на поверхню металу з атмосфери, -збагаченої вуглецем, значною мірою залежить від вмісту нікелю, оскільки нікель має дуже низьку розчинність для вуглецю та сповільнює його дифузію всередину. Польові дані про труби 800H під час науглерожування-переробки вуглеводнів показують, що сплав зберігає пластичність і структурну цілісність після багатьох років впливу в умовах, коли нержавіюча сталь із низьким вмістом-нікелю 310-науглерожується помітно швидше. Це головна причина, чому Incoloy 800H є основним матеріалом для піролізних труб етилену, компонентів печі для крекінгу вуглеводнів, кошиків і пристосувань для термічної обробки, які піддаються повторним циклам цементації.

Опубліковані порівняння швидкості-корозії в печі нафтопереробного заводу ілюструють розбіжність: сплави Incoloy 800H/800HT були виміряні на рівні приблизно 0,15 мм/рік (6,0 миль/рік) проти приблизно 0,23 мм/рік (8,9 миль/рік) для нержавіючої сталі 310 за аналогічних умов. Нижча швидкість корозії безпосередньо означає довший термін служби компонентів і менше незапланованих відключень для перевірки або заміни.

Як порівнюються міцність на повзучість і міцність-на розрив при підвищеній температурі?

Повзучість – це повільна,-залежна від часу деформація металу під тривалим навантаженням при високій температурі, а міцність-на розрив описує, яку напругу може витримати матеріал, перш ніж він розірветься після певної кількості годин експлуатації. Ця властивість має значення для будь-якого компонента печі, який знаходиться під навантаженням у гарячому стані - радіаційна труба під внутрішнім тиском, підвіс, що підтримує вогнетрив, або змійовик у піролізній печі -, на відміну від компонентів, які просто піддаються нагріванню без значного механічного навантаження, наприклад муфельний вкладиш або екран.

310S забезпечує помірну міцність-на розрив, достатню для незначно навантажених компонентів. Incoloy 800H і 800HT були спеціально розроблені, щоб подовжити термін повзучості-розриву понад те, що забезпечують стандартні нержавіючі сталі 800 або 310-сімейства, завдяки контрольованому вмісту вуглецю (0,05–0,10%) і крупнозернистому-відпалу розчину при мінімумі 2100 градусів F (1149 градусів). Крім того, Incoloy 800HT посилює специфікації щодо алюмінію-і-титану для застосувань, які вимагають найдовшого практичного терміну служби в умовах тривалого високотемпературного навантаження, наприклад, труби етиленової печі та змійовики піролізу.

Джерело: складено на основі даних специфікацій ASTM A240/B407/B409 та опублікованих досліджень високо{3}}швидкості{4}}температурної корозії та механічних-властивостей для 310/310H та Incoloy 800H/800HT на нафтопереробних заводах і в печах. Перед остаточною специфікацією перевірте допустимі параметри конструкції відповідно до поточного розділу II частини D ASME або відповідного видання коду.

Яка різниця у вартості та коли премія виправдана?

Нікель незмінно є найбільшим фактором підвищення цін на сплави для обох матеріалів, але Incoloy 800H/HT містить приблизно на 50 відсотків більше нікелю за вагою, ніж 310S, і нікель зазвичай торгується за значним кратним показником хрому та заліза, які складають більшу частину вмісту сплаву 310S. Це робить сплави серії 800-дорожчими придбаннями за-фунт або-лінійний фут, навіть не розглядаючи виготовлення.

Схема прийняття рішень, яка випливає з технічного порівняння вище, є простою. Укажіть 310S, якщо компонент має чисту окиснювальну атмосферу, незначне механічне навантаження або його відсутність і середній{2}}очікуваний термін служби - корпуси печі, дверцята, вентилятори та не-навантажувальні-щитки є звичайними. Укажіть Incoloy 800H або 800HT, якщо компонент перебуває під тривалим температурним навантаженням, піддається впливу атмосфери науглерожування або сульфідізації або коли вартість незапланованої зупинки для заміни несправного компонента значно перевищує вартість матеріалів. Преміальні - радіаційні трубки, компоненти-нагрівача, змійовики для крекінгу етилену та -пристосування для термообробки з довгі цикли цементації є звичайними випадками.

Чим відрізняються вимоги до виготовлення, зварювання та термічної обробки?

310S – це розчин-відпаленого в діапазоні 1900–2100 градусів F (1030–1150 градусів) з подальшим швидким охолодженням, що повертає карбіди назад у розчин і максимізує стійкість до корозії. Якщо обладнання сімейства 310- прослужило тривалий час при температурі вище 1200 градусів F (650 градусів) і утворилася сигма-фаза, пластичність, як правило, можна відновити за допомогою того самого циклу-відпалу розчину; повторний відпал приблизно через кожні 1000 годин роботи при температурі вище 1200 градусів F є часто цитованим інтервалом технічного обслуговування обладнання, схильного до утворення сигм.

Incoloy 800H і 800HT вимагають відпалу в розчині при мінімумі 2100 градусів F (1149 градусів) -, що помітно вище, ніж відпал, який використовується для 310S - спеціально для отримання більш грубої зернистої структури (зазвичай ASTM розмір зерна №. 5 або більш грубий), що покращує термін повзучості-розриву. Обидва сплави можна зварювати за допомогою стандартної газової вольфрамової дуги та дугового процесу в екранованому металі з відповідним або майже -відповідним присадковим металом, і обидва звичайні холодно-формовані, хоча сплави серії 800 можуть мати характерну поверхневу текстуру («апельсинову кірку») після важкого холодного формування через більш грубий розмір зерна.

Який сплав слід вибрати для звичайних компонентів печей і печей?

Джерело: Загальні вказівки щодо вибору на основі задокументованих властивостей сплаву та загальноприйнятої практики промислових печей/печей. Вибір-спеціального компонента має враховувати фактичний хімічний склад атмосфери, номінальний тиск, частоту термічних циклів і застосовний проектний код.

Часті запитання

З: Чи можна 310S і Incoloy 800H використовувати як взаємозамінні в одній печі?

A: Не загалом. Вони мають різну швидкість теплового розширення та різну поведінку повзучості, тому їх змішування в одній зварній збірці під навантаженням може створити диференціальне напруження. Якщо обидва сплави з’являються в одній печі, вони зазвичай використовуються в окремих, незалежно підтримуваних компонентах -, наприклад, оболонка 310S із внутрішньою трубкою Incoloy 800H.

Питання: Чи є Incoloy 800 таким же, як Incoloy 800H або 800HT?

Відповідь: Ні. Стандартний Incoloy 800 (UNS N08800) допускає ширший діапазон вуглецю та не має грубого-високо{4}}температурного відпалу в розчині, що надає 800H (UNS N08810) і 800HT (UNS N08811) їх чудову міцність-на розрив. У поточних специфікаціях печей і технологічних-нагрівачів 800H і 800HT значною мірою замінили стандарт 800.

З: Чи вимагає 310S термічна обробка після-зварювання?

A: Не для стійкості до корозії в більшості печей, оскільки 310S має низький-вуглецевий клас із хорошою стійкістю до сенсибілізації, -пов’язаної з зварюванням. Якщо обладнання матиме розширену службу в сигма-фазі-діапазону формування, періодичний відпал розчину - не для зняття напруги - є відповідним коригуванням, а не рутинною вимогою після-зварювання.

З: Яка практична межа температури для безперервної роботи 310S?

A: Приблизно 2000 градусів F (1093 градуси) для безперервного окиснення, із застереженням, що обладнання, яке постійно змінюється в діапазоні 1200–1650 градусів F (650–900 градусів), з часом піддається окрихченню в сигма-фазі, тому його слід періодично оцінювати повторний{11}}відпал.

З: Чому вміст нікелю має таке велике значення для стійкості до науглерожування?

A: Вуглець має дуже низьку розчинність у нікелі та дифундує в нього повільніше, ніж у залізо чи хром. Оскільки Incoloy 800H містить приблизно 30-35% нікелю проти приблизно 19-22% для 310S, вуглець проникає на його поверхню повільніше за ідентичних умов цементації, що є основною причиною того, що 800H перевершує нержавіючі сталі 310-го сімейства в атмосферах печі для цементації.