Incoloy 800 versus 310S roestvrij staal: kosten en prestaties in ethyleenkraakovens

Ethyleenkraakovens functioneren onder de zwaarste metallurgische omgevingen in de procesindustrie: metaaltemperaturen boven de 900 graden, een koolstof-rijke atmosfeer van gekraakte koolwaterstoffen en cokes, en jaren van continue thermische cycli tussen bedrijf en ontkooksing. Het kiezen van de verkeerde legering voor een ovencomponent verkort niet alleen de levensduur ervan - het kan een ongeplande stilstand veroorzaken die een krakeroperator veel meer kost dan het materiaal zelf ooit zou doen.

Incoloy 800(UNS N08800)En310S roestvrij staal(UNS S31008) zijn de twee legeringen die het vaakst worden vergeleken voor niet-hardware voor stralingsovens, - buissteunen, hangers, schotten en overdracht-lijnwisselaaronderdelen. Deze gids geeft antwoord op de vragen die ingenieurs eigenlijk stellen bij het specificeren tussen hen, met eerst een duidelijk antwoord en de technische redenering erachter.

Wat zijn Incoloy 800 en 310S roestvrij staal?

Incoloy 800 is een nikkel-ijzer-chroomlegering opgebouwd rond een hoog nikkelgehalte voor corrosiebestendigheid bij hoge- temperaturen; 310S is austenitisch roestvrij staal met een hoog-chroomgehalte, gebouwd voor oxidatieweerstand tegen lagere materiaalkosten.

Incoloy 800(en de hogere-koolstofvarianten 800H en 800HT) is een solide-oplossing-versterkte nikkel-ijzer-chroomlegering, speciaal ontwikkeld voor langdurig gebruik in hoge-temperaturen, koolstof- en zwavel-houdende atmosferen. Het nikkelgehalte - is grofweg het dubbele van dat van 310S - en is het enige ontwerpkenmerk dat bepaalt hoe het zich gedraagt ​​in een kraakoven.

310S is de-koolstofvariant van de 25-20 austenitische roestvrijstalen familie (type 310). Het is afhankelijk van een hoog chroomgehalte om een ​​stabiele, beschermende chroomoxideaanslag te vormen en wordt veel gebruikt in de procesindustrie waar oxidatieweerstand bij hoge temperaturen nodig is zonder de kosten van een nikkellegering.

Wat is het belangrijkste verschil in samenstelling tussen de twee legeringen?

Het nikkelgehalte is het doorslaggevende verschil: grofweg 30–35% in Incoloy 800 versus grofweg 19–22% in 310S - en die kloof is de drijvende kracht achter elk prestatie- en kostenverschil dat in dit artikel wordt besproken.

Tabel 1 - Nominale samenstellingsbereiken volgens ASTM B408 / ASTM A240.

Twee kenmerken vallen op. Ten eerste verlaagt het hogere nikkelgehalte van Incoloy 800 de oplosbaarheid en diffusiesnelheid van koolstof in de metaalmatrix, wat de belangrijkste reden is dat het beter bestand is tegen carburatie dan 310S (hieronder besproken). Ten tweede vormen de aluminium- en titaniumtoevoegingen van 800 fijne intermetallische neerslagen die verhoogde-temperatuursterkte - ondersteunen, een voordeel dat de 310S niet heeft.

Welke legering is bestand tegen hogere oventemperaturen?

310S heeft een iets hoger nominaal plafond voor pure oxidatieweerstand (tot ongeveer 1150 graden versus ongeveer 1100 graden voor Incoloy 800), maar Incoloy 800 behoudt zijn mechanische sterkte en structurele stabiliteit beter over het temperatuurbereik waarin een kraakoven daadwerkelijk werkt.

Oxidatieweerstand en structurele prestaties zijn twee verschillende eigenschappen, en dit is waar de twee legeringen het vaakst worden verward.. 310Het hoge chroomgehalte van S zorgt voor een uitstekende schaalstabiliteit in schone, oxiderende atmosferen. Daarom wordt het veel gebruikt in ovenbekledingen, ovenhardware en warmtebehandelingsmanden-. Maar een kraakoven is geen schone oxiderende atmosfeer - hij combineert hoge temperaturen met een reducerende, koolstof- grenslaag op het metaaloppervlak, plus aanhoudende mechanische belasting door het eigen gewicht van de buis en thermische cycli. Onder deze gecombineerde omstandigheden behoudt Incoloy 800 -, met name de 800H- en 800HT-kwaliteiten -, een hogere kruipsterkte en dimensionale stabiliteit. Daarom is het de standaardkeuze voor dragende ovenonderdelen in plaats van 310S.

Welke legering is beter bestand tegen carburatie?

Incoloy 800 is aanzienlijk beter bestand tegen carburatie dan 310S, omdat het hogere nikkelgehalte zowel de oplosbaarheid als de inwaartse diffusiesnelheid van koolstof vermindert bij oventemperaturen - en carburatie, en niet eenvoudige oxidatie, de dominante faalwijze is bij hardware voor kraakovens.

Opkoling vindt plaats wanneer koolstof uit gekraakte koolwaterstoffen of aangehechte cokes in het metaaloppervlak diffundeert en brosse carbiden langs de korrelgrenzen vormt. De gecarboniseerde laag verliest ductiliteit en wordt gevoelig voor scheuren onder de thermische en mechanische spanningen van normale ovencycli. Omdat nikkel een lage koolstofoplosbaarheid heeft, zijn legeringen die rijker zijn aan nikkel veel beter bestand tegen deze aanval dan ijzer.-Chroomsoorten. 310S, met slechts 19-22% nikkel, zijn aanzienlijk gevoeliger voor verbrossing door carburatie dan Incoloy 800 in dezelfde cokes-vervuilde dienst.

Een gedocumenteerde faalanalyse van een uitlaatoverdrachtleiding voor een ethyleenoven maakt dit punt duidelijk: een Incoloy 800H-buis - die al een van de meer carbonisatie-resistente legeringen was die beschikbaar was - barstte na vijf jaar dienst over de volledige wanddikte nadat cokesafzettingen de temperatuur van de wand verhoogden en het binnenoppervlak lang genoeg blootstelden aan een koolstof-rijke atmosfeer om het bros te maken. De casus illustreert twee dingen tegelijk: carburatie is het mechanisme waar oveningenieurs vooral tegen moeten ontwerpen, en zelfs Incoloy 800H is niet carburatie-bestendig als de verkooksing en temperatuurbeheersing niet worden beheerd -, wat de veel meer koolstof-gevoelige 310S een slechte keuze maakt voor elke ovenzone met langdurig cokescontact.

Welke legering heeft een betere -kruip- en belasting-draagkracht op lange termijn?

Incoloy 800 -, vooral de 800H- en 800HT-kwaliteiten - bieden aanzienlijk hogere kruip-breuksterkte voor last-dragende componenten; 310S is alleen geschikt voor licht belaste, niet-kritieke ovenhardware.

Ovenbuissteunen, hangers en transfer{0}}buisplaten voor lijnwisselaars dragen jarenlang aanhoudende mechanische belasting bij hoge temperaturen tussen de draaibeurten door, dus kruipweerstand (de langzame, permanente vervorming die optreedt onder belasting bij hoge temperatuur) is net zo belangrijk als corrosieweerstand. Incoloy 800H en 800HT maken gebruik van een gecontroleerd koolstofgehalte en een grovere korrelgrootte, specifiek om de kruip-levensduur van breuken te verlengen.. 310S is niet ontworpen met dit doel en is, hoewel bruikbaar voor licht belaste beugels, schotten en niet-onder druk staande onderdelen, niet de voorkeursspecificatie voor enig onderdeel dat structurele belasting moet dragen bij de piekoventemperatuur over een looptijd van meerdere- jaar.

Welke legering kost minder in aanschaf?

310S kost per-kilogrambasis minder dan Incoloy 800, omdat nikkel in beide het duurste legeringselement is en 310S er ongeveer 30-40% minder van bevat.

De basismetaalprijzen voor beide legeringen bewegen mee met de nikkelprijs van de London Metal Exchange, maar het effect is evenredig met het nikkelgehalte. Omdat Incoloy 800 ongeveer 30-35% nikkel bevat, tegenover ongeveer 19-22% voor 310S, is de fabrieksprijs per kilogram consistent hoger, en dat verschil wordt groter wanneer de nikkelprijzen stijgen. Voor projecten of componenten met een beperkt budget- buiten de zwaarste zones van de oven is dit aankoopprijsverschil- een legitieme reden om 310S te kiezen.

Welke legering levert lagere totale eigendomskosten op?

Er is geen universele winnaar: Incoloy 800 wint doorgaans op het gebied van de totale eigendomskosten in zones met hoge-carburisatie en belasting- omdat het voortijdige uitval en ongeplande stilstand vermijdt; De 310S wint doorgaans op het gebied van de totale eigendomskosten in gebieden met een lagere- ernstgraad, waar de lagere aankoopprijs niet wordt gecompenseerd door enig materieel voordeel.

De aankoopprijs is slechts één regel in de kostenvergelijking. De productiewaarde van een ethyleenkraker loopt in de miljoenen dollars per dag, dus een ongeplande uitval veroorzaakt door een gebarsten buishanger of een gecarbureerde buisplaat van de transfer-lijn kan vele malen veel meer kosten dan het volledige materiaalbudget voor dat onderdeel -, zodra de productie verloren gaat, zijn noodreparatiewerkzaamheden en versnelde vervangingsonderdelen inbegrepen.

In zones met langdurig cokescontact, hoge mechanische belasting of beperkte toegang voor inspectie, wordt de hogere aankoopprijs van de Incoloy 800 normaal gesproken meerdere keren terugverdiend tijdens de langere levensduur en vermeden stilstand. In zones met lagere- temperaturen, lage- belasting en gemakkelijke toegang voor routine-inspectie en vervanging levert diezelfde premie weinig praktisch voordeel op, en is de 310S de meer rationele specificatie.

Waar moet elke legering worden gebruikt in een ethyleenkraakoven?

Reserveer Incoloy 800/800H voor carbonisatie-gevoelige, last-dragende componenten - stralende-sectiebuissteunen en hangers, en breng-lijnwisselaarbuizen en pijpplaten over- en gebruik 310S voor convectiehardware-sectiehardware, schotten en niet-drukloze interne onderdelen.

Het is ook de moeite waard om precies te zijn waar geen van beide legeringen voor wordt gebruikt: de stralingsspiraal zelf - de primaire kraakbuis die rechtstreeks wordt blootgesteld aan vuurhaardtemperaturen boven 1000 graden - is normaal gesproken centrifugaal gegoten HK-40, HP, of een gemodificeerde HP-legering, niet Incoloy 800 of 310S. Incoloy 800 en 310S strijden om de ondersteunende hardware en warmteterugwinningsapparatuur van de oven, niet om de stralingsspiraal.

Tabel 2 - Indicatieve selectie van legeringen per ovenzone. Controleer dit altijd aan de hand van de mechanische ontwerpbasis van de ovenlicentiegever en het feitelijke metaal-temperatuur- en verkooksingsprofiel van de installatie.

Hoe moet u voor uw project kiezen tussen Incoloy 800 en 310S?

Baseer de beslissing op vier vragen - piekmetaaltemperatuur, blootstelling aan koolstof/cokes, mechanische belasting en doorloopinterval - in plaats van alleen op de aankoopprijs.

• Piekmetaaltemperatuur: overschrijdt het onderdeel regelmatig ongeveer 815 graden, waarbij kruip en carburatie beide versnellen?
• Blootstelling aan koolstof: staat het oppervlak in langdurig contact met gekraakte koolwaterstoffen of cokesafzettingen, of is het geïsoleerd van het procesgas?
• Mechanische belasting: draagt ​​het onderdeel structurele of druk-grensbelasting, of is het een licht belaste beugel, schot of schild?
• Doorloopinterval en toegang: hoe lang moet het onderdeel meegaan tussen inspecties, en hoe storend is een ongeplande vervanging?

Als het antwoord op de eerste drie vragen neigt naar zwaar gebruik, is de Incoloy 800 (of 800H/800HT voor de meest veeleisende, dragende posities) de technisch en economisch verantwoorde keuze, ondanks de hogere aanschafprijs. Als het onderdeel zich in een koelere- en gemakkelijk te inspecteren zone met lagere belasting bevindt, levert de 310S adequate prestaties tegen aanzienlijk lagere kosten.

Samenvatting

Veelgestelde vragen

Is Incoloy 800 hetzelfde als roestvrij staal 310?

Nee. Incoloy 800 is een nikkel-ijzer-chroomlegering met ongeveer 30–35% nikkel, terwijl 310S een ijzer-chroom-nikkelroestvrij staal is met ongeveer 19–22% nikkel. Ze zijn qua toepassing verwant, maar behoren tot verschillende legeringsfamilies met verschillende regerende eigenschappen.

Kunnen Incoloy 800 en 310S aan elkaar worden gelast?

Ja, ongelijksoortige-metaallassen tussen Incoloy 800 en 310S komen vaak voor bij de vervaardiging van ovens en worden doorgaans gemaakt met een op nikkel-gebaseerd vulmetaal om het verschil in thermische uitzetting en samenstelling tussen de twee legeringen op te vangen.

Welke legering wordt gebruikt voor de stralingsspiraal (kraakbuis) zelf?

Noch Incoloy 800, noch 310S. Stralingsspiralen gebruiken normaal gesproken centrifugaal gegoten HK-40-, HP- of gemodificeerde HP-legeringen, die zijn ontworpen voor de extreme kruip- en temperatuurvereisten van de vuurhaard. Incoloy 800 en 310S zijn gespecificeerd voor het ondersteunen van hardware, niet voor de spoel zelf.

Is de 310S überhaupt bestand tegen carburatie?

310S biedt enige weerstand tegen carburatie vanwege het chroomgehalte, maar aanzienlijk minder dan Incoloy 800, omdat de weerstand tegen carburatie voornamelijk afhankelijk is van het nikkelgehalte en 310S ongeveer de helft van het nikkel van Incoloy 800 bevat.

Is Incoloy 800 altijd de betere keuze, ongeacht de kosten?

Nee. In ovenzones met lagere- temperatuur, lage- belasting en gemakkelijk te inspecteren, levert de 310S adequate prestaties tegen een lagere aankoopprijs, en als u Incoloy 800 specificeert, worden daar kosten aan toegevoegd zonder een bijbehorend levensduurvoordeel.