Incoloy 800 vs stal nierdzewna 310S: koszt i wydajność w piecach do krakingu etylenu

Piece do krakingu etylenu pracują w najsurowszych środowiskach metalurgicznych w przemyśle przetwórczym: temperatura metalu przekraczająca 900 stopni, atmosfera bogata w węgiel- pochodząca z krakowanych węglowodorów i koksu oraz lata ciągłych cykli termicznych pomiędzy operacją a odkoksowaniem. Wybór niewłaściwego stopu na element pieca nie tylko skraca jego żywotność -, ale może spowodować nieplanowane przestoje, które kosztują operatora krakera znacznie więcej niż sam materiał.

Incoloy 800(UNS N08800)IStal nierdzewna 310S(UNS S31008) to dwa stopy najczęściej porównywane na-osprzęt pieca promiennikowego - wsporniki rur, wieszaki, przegrody i-części wymiennika przewodu przesyłowego. W tym przewodniku znajdują się odpowiedzi na pytania, które inżynierowie faktycznie zadają przy ustalaniu między nimi specyfikacji, podając najpierw jasną odpowiedź i uzasadnienie techniczne.

Co to jest stal nierdzewna Incoloy 800 i 310S?

Incoloy 800 to stop niklu,-żelaza-chromu, zbudowany w oparciu o wysoką zawartość niklu, zapewniający-odporność na korozję w wysokiej temperaturze; 310S to austenityczna stal nierdzewna o wysokiej-chromie, stworzona z myślą o odporności na utlenianie przy niższych kosztach materiałów.

Incoloy 800(i jego wyższe-odmiany węglowe 800H i 800HT) to solidny-roztwór-wzmocniony stop niklu-żelaza-chromu, opracowany specjalnie do długotrwałej pracy w-atmosferze wysokiej-węglowej- i zawierającej siarkę-. Zawartość niklu - jest mniej więcej dwukrotnie większa niż w przypadku 310S - to jedyna cecha konstrukcyjna, która określa jego zachowanie w piecu do krakingu.

310S to niskoemisyjna odmiana stali nierdzewnej 25-20 (typ 310). Opiera się na wysokiej zawartości chromu, tworząc stabilną, ochronną warstwę tlenku chromu i jest szeroko stosowany w przemyśle przetwórczym wszędzie tam, gdzie wymagana jest odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze bez kosztu stopu niklu.

Jaka jest kluczowa różnica w składzie między dwoma stopami?

Decydującą różnicą jest zawartość niklu: około 30–35% w Incoloy 800 w porównaniu z około 19–22% w 310S - i to właśnie ta różnica wpływa na każdą różnicę w wydajności i kosztach omówioną w tym artykule.

Tabela 1 - Nominalne zakresy składu według ASTM B408 / ASTM A240.

Wyróżniają się dwie cechy. Po pierwsze, wyższa zawartość niklu w Incoloy 800 obniża rozpuszczalność i szybkość dyfuzji węgla w metalowej osnowie, co jest głównym powodem, dla którego jest on odporny na nawęglanie lepiej niż 310S (omówione poniżej). Po drugie, dodatki aluminium i tytanu z lat 800. tworzą drobne wydzielenia międzymetaliczne, które zapewniają zwiększoną-wytrzymałość temperaturową-, której nie ma 310S.

Który stop wytrzymuje wyższe temperatury w piecu?

Stop 310S ma nieco wyższy pułap znamionowy w zakresie czystej odporności na utlenianie (do około 1150 stopni w porównaniu z około 1100 stopni w przypadku Incoloy 800), ale Incoloy 800 lepiej utrzymuje swoją wytrzymałość mechaniczną i stabilność strukturalną w całym zakresie temperatur, w którym faktycznie pracuje piec do krakingu.

Odporność na utlenianie i właściwości strukturalne to dwie różne właściwości i w tym miejscu najczęściej mylone są te dwa stopy.. 310Wysoka zawartość chromu w S zapewnia doskonałą stabilność kamienia w czystych, utleniających atmosferach, dlatego jest on powszechny w wykładzinach pieców, osprzęcie pieca i koszach-obróbki cieplnej. Jednak piec do krakingu nie jest czystą atmosferą utleniającą, - łączy w sobie wysoką temperaturę z redukującą, bogatą w węgiel-warstwą graniczną na powierzchni metalu, a także utrzymujące się obciążenie mechaniczne wynikające z ciężaru własnego rury i cykli termicznych. W tych połączonych warunkach Incoloy 800 -, zwłaszcza gatunki 800H i 800HT -, zachowuje wyższą wytrzymałość na pełzanie i stabilność wymiarową, dlatego jest to domyślny wybór-do elementów wewnętrznych pieca nośnych, a nie 310S.

Który stop jest lepiej odporny na nawęglanie?

Incoloy 800 jest odporny na nawęglanie znacznie lepiej niż 310S, ponieważ jego wyższa zawartość niklu zmniejsza zarówno rozpuszczalność, jak i szybkość dyfuzji wewnętrznej węgla w temperaturach pieca -, a nawęglanie, a nie proste utlenianie, jest dominującym rodzajem awarii sprzętu pieca do krakingu.

Nawęglanie zachodzi, gdy węgiel z krakowanych węglowodorów lub przyklejonego koksu dyfunduje do powierzchni metalu, tworząc kruche węgliki wzdłuż granic ziaren. Nawęglona warstwa traci plastyczność i staje się podatna na pękanie pod wpływem naprężeń termicznych i mechanicznych występujących podczas normalnej pracy pieca. Ponieważ nikiel ma niską rozpuszczalność w węglu, stopy bogatsze w nikiel są odporne na ten atak znacznie lepiej niż żelazo-stopy chromu. 310S, zawierające tylko 19–22% niklu, i są znacznie bardziej podatne na kruchość nawęglania niż Incoloy 800 w tym samym środowisku zanieczyszczonym-koksem.

Udokumentowana analiza awarii linii przesyłowej wylotu pieca do etylenu dobrze to potwierdza: rura Incoloy 800H - już jest jednym z bardziej-odpornych na nawęglenie dostępnych stopów -, po pięciu latach pracy pękła na całej grubości ścianki, gdy osady koksu podniosły temperaturę ścianki i wystawiły wewnętrzną powierzchnię na działanie atmosfery bogatej w węgiel- wystarczająco długo, aby spowodować jej kruchość. Ten przypadek ilustruje dwie rzeczy na raz: nawęglanie jest mechanizmem, przeciwko któremu inżynierowie pieców muszą przede wszystkim projektować, a nawet Incoloy 800H nie jest odporny na nawęglanie,-jeśli nie zarządza się koksowaniem i kontrolą temperatury -, co sprawia, że ​​znacznie bardziej-podatny na węgiel 310S jest kiepskim wyborem dla każdej strefy pieca z długotrwałym kontaktem z koksem.

Który stop ma lepszą-długotrwałą wytrzymałość na pełzanie i obciążenie-?

Incoloy 800 -, szczególnie gatunki 800H i 800HT - oferują znacznie wyższą-wytrzymałość na pełzanie-komponentów nośnych; Model 310S jest odpowiedni tylko w przypadku lekko obciążonego,-niekrytycznego sprzętu pieca.

Wsporniki rur pieca, wieszaki i arkusze rur-wymiennika linii przesyłowej przenoszą trwałe obciążenie mechaniczne w wysokiej temperaturze przez lata pomiędzy kolejnymi obrotami, więc odporność na pełzanie (powolne, trwałe odkształcenie występujące pod obciążeniem w wysokiej temperaturze) jest równie ważna jak odporność na korozję. Stopy Incoloy 800H i 800HT wykorzystują kontrolowaną zawartość węgla i grubszy rozmiar ziaren specjalnie w celu zwiększenia-trwałości przy pełzaniu. 310S nie zostały zaprojektowane w tym celu i chociaż nadają się do stosowania w przypadku lekko obciążonych wsporników, przegród i elementów wewnętrznych bez-ciśnienia, nie są preferowaną specyfikacją dla żadnego komponentu, który musi przenosić obciążenie strukturalne w szczytowej temperaturze pieca przez-wieloletni okres produkcyjny.

Który stop jest tańszy w zakupie?

310S kosztuje mniej w przeliczeniu na-kilogram niż Incoloy 800, ponieważ nikiel jest najdroższym pierwiastkiem stopowym w obu przypadkach, a 310S zawiera go około 30–40% mniej.

Ceny metali nieszlachetnych w przypadku obu stopów zmieniają się wraz z ceną niklu na London Metal Exchange, ale efekt jest proporcjonalny do zawartości niklu. Ponieważ Incoloy 800 zawiera około 30–35% niklu w porównaniu z około 19–22% w przypadku 310S, cena jego przemiału za kilogram jest stale wyższa, a różnica ta zwiększa się wraz ze wzrostem cen niklu. W przypadku projektów-o ograniczonym budżecie lub komponentów znajdujących się poza najcięższymi strefami pieca, ta różnica-w cenie zakupu jest uzasadnionym powodem wybrania 310S.

Który stop zapewnia niższy całkowity koszt posiadania?

Nie ma uniwersalnego zwycięzcy: Incoloy 800 zazwyczaj wygrywa pod względem całkowitego kosztu posiadania w strefach-nawęglenia i{2}}nośności, ponieważ pozwala uniknąć przedwczesnych awarii i nieplanowanych przestojów; Model 310S zazwyczaj wygrywa pod względem całkowitego kosztu posiadania w-strefach o niższym ryzyku, gdzie jego niższa cena zakupu nie jest równoważona żadną istotną korzyścią.

Cena zakupu to tylko jedna linia w równaniu kosztu. Wartość produkcji krakera etylenu sięga milionów dolarów dziennie, więc nieplanowany przestój spowodowany pękniętym wieszakiem rur lub nawęglonym arkuszem rur-linii transferowej może kosztować znacznie więcej niż cały budżet materiałowy dla tego komponentu - wielokrotnie, po uwzględnieniu utraty produkcji, robocizny naprawy awaryjnej i przyspieszonych części zamiennych.

W strefach o długotrwałym kontakcie z koksem, dużym obciążeniu mechanicznym lub ograniczonym dostępie do serwisu w celu kontroli, wyższa cena zakupu Incoloy 800 zwykle zwraca się kilkukrotnie w dłuższym okresie użytkowania i pozwala uniknąć przestojów. W strefach o niższej-temperaturze i niskim-obciążeniu, z łatwym dostępem w celu rutynowej kontroli i wymiany, ta sama premia wiąże się z niewielkimi korzyściami praktycznymi, a specyfikacja 310S jest bardziej racjonalna.

Gdzie należy stosować każdy stop w piecu do krakingu etylenu?

Zarezerwuj Incoloy 800/800H na nawęglanie-podatne-elementy nośne- promieniujące-wsporniki i wieszaki rur oraz-rury i arkusze rurowe wymienników liniowych -, a 310S użyj do-osprzętu konwekcyjnego-o mniejszych obciążeniach, przegród i elementów wewnętrznych bez-ciśnieniowych.

Warto również dokładnie określić, do czego nie jest używany żaden ze stopów: sama cewka promieniująca - główna rura do krakingu wystawiona bezpośrednio na działanie temperatur paleniska powyżej 1000 stopni - jest zwykle odlewana odśrodkowo HK-40, HP lub modyfikowanym stopem HP, a nie Incoloy 800 lub 310S. Incoloy 800 i 310S konkurują o osprzęt pieca i sprzęt do odzyskiwania ciepła, a nie o wężownicę promiennikową.

Tabela 2 - Orientacyjny dobór stopu według strefy pieca. Zawsze sprawdzaj konstrukcję mechaniczną licencjodawcy pieca oraz rzeczywistą temperaturę metalu i profil koksowania w zakładzie.

Jak wybrać pomiędzy Incoloy 800 a 310S dla swojego projektu?

Podejmij decyzję na czterech kwestiach - szczytowej temperaturze metalu, narażeniu na węgiel/koks, obciążeniu mechanicznym i okresie międzyobsługowym -, a nie na samej cenie zakupu.

• Szczytowa temperatura metalu: czy element regularnie przekracza około 815 stopni, gdzie przyspieszają pełzanie i nawęglanie?
• Narażenie na węgiel: czy powierzchnia ma ciągły kontakt z krakingowymi węglowodorami lub osadami koksu, czy też jest odizolowana od gazu procesowego?
• Obciążenia mechaniczne: czy element przenosi obciążenie strukturalne lub-ciśnieniowe, czy też jest to lekko obciążony wspornik, przegroda lub osłona?
• Okres między przeglądami i dostęp: jak długo element musi wytrzymać między przeglądami i jak uciążliwa jest nieplanowana wymiana?

Jeśli odpowiedź na pierwsze trzy pytania skłania się ku ciężkiej pracy, Incoloy 800 (lub 800H/800HT w przypadku najbardziej wymagających-położeń nośnych) jest wyborem rozsądnym pod względem technicznym i ekonomicznym pomimo wyższej ceny zakupu. Jeśli komponent znajduje się w chłodniejszej,-obciążonej strefie, w której można łatwo dokonać inspekcji, model 310S zapewnia odpowiednią wydajność przy znacznie niższych kosztach.

Streszczenie

Często zadawane pytania

Czy Incoloy 800 to to samo co stal nierdzewna 310?

Nie. Incoloy 800 to stop niklowo-żelazo-chromu zawierający około 30–35% niklu, natomiast 310S to stal nierdzewna żelazo-chrom-niklowa zawierająca około 19–22% niklu. Są one podobne w zastosowaniu, ale należą do różnych rodzin stopów o różnych właściwościach regulujących.

Czy Incoloy 800 i 310S można zespawać ze sobą?

Tak, spoiny z różnych metali- pomiędzy Incoloy 800 i 310S są powszechne w produkcji pieców i zazwyczaj są wykonywane z użyciem spoiwa na bazie niklu-, aby uwzględnić różnicę w rozszerzalności cieplnej i składzie obu stopów.

Z jakiego stopu wykonana jest sama cewka promieniująca (rura pękająca)?

Ani Incoloy 800, ani 310S. W wężownicach promiennikowych zwykle stosuje się odlewane odśrodkowo stopy HK-40, HP lub modyfikowane stopy HP, które zostały zaprojektowane z myślą o ekstremalnych wymaganiach dotyczących pełzania i temperatury paleniska. Incoloy 800 i 310S są przeznaczone do obsługi sprzętu, a nie samej cewki.

Czy 310S jest w ogóle odporny na nawęglanie?

310S oferuje pewną odporność na nawęglanie ze względu na zawartość chromu, ale znacznie mniejszą niż Incoloy 800, ponieważ odporność na nawęglanie zwiększa się głównie w przypadku zawartości niklu, a 310S ma mniej więcej połowę niklu w stosunku do Incoloy 800.

Czy Incoloy 800 jest zawsze lepszym wyborem, niezależnie od kosztów?

Nie. W niższych-temperaturach, przy niskim-obciążeniu i łatwych do kontroli strefach pieca, 310S zapewnia odpowiednią wydajność przy niższej cenie zakupu, a wybranie tam Incoloy 800 zwiększa koszty bez odpowiedniego-korzyści w całym okresie użytkowania.