Incoloy 800 vs 310S rostfritt stål: kostnad och prestanda i etylenkrackningsugnar

Etenkrackningsugnar kör några av de tuffaste metallurgiska miljöerna inom processindustrin: metalltemperaturer över 900 grader, en kol-rik atmosfär från krackade kolväten och koks och år av kontinuerlig termisk cykling mellan drift och avkoksning. Att välja fel legering för en ugnskomponent förkortar inte bara dess livslängd - det kan utlösa en oplanerad avstängning som kostar en krackningsoperatör mycket mer än materialet självt någonsin skulle göra.

Incoloy 800(UNS N08800)och310S rostfritt stål(UNS S31008) är de två legeringar som oftast jämförs för icke-strålande ugnshårdvara - rörstöd, hängare, bafflar och överförings-ledningsväxlardelar. Den här guiden svarar på frågorna som ingenjörer faktiskt ställer när de specificerar dem, med ett tydligt svar först och det tekniska resonemanget bakom det.

Vad är Incoloy 800 och 310S rostfritt stål?

Incoloy 800 är en nickel-järn-kromlegering byggd kring en hög nickelhalt för hög-korrosionsbeständighet vid hög temperatur; 310S är ett austenitiskt rostfritt stål med hög -kromhalt byggt för oxidationsbeständighet till en lägre materialkostnad.

Incoloy 800(och dess högre-kolvarianter 800H och 800HT) är en fast-lösning-förstärkt nickel-järn-kromlegering som utvecklats speciellt för långvarig användning i hög-temperatur, kol- och svavelhaltig-atmosfär. Dess nickelinnehåll - ungefär dubbelt så högt som 310S - är den enda designfunktionen som definierar hur den beter sig i en sprickugn.

310S är varianten med låg-kolhalt av familjen 25-20 austenitiska rostfria stål (Typ 310). Den förlitar sig på en hög kromhalt för att bilda en stabil, skyddande kromoxidskala och används i stor utsträckning inom processindustrin överallt där oxidationsbeständighet vid hög temperatur behövs utan kostnaden för en nickellegering.

Vad är den viktigaste sammansättningsskillnaden mellan de två legeringarna?

Nickelhalten är den avgörande skillnaden: ungefär 30–35 % i Incoloy 800 jämfört med ungefär 19–22 % i 310S - och det gapet är det som driver varje prestanda- och kostnadsskillnad som diskuteras i den här artikeln.

Tabell 1 - Nominella sammansättningsintervall per ASTM B408 / ASTM A240.

Två funktioner sticker ut. För det första sänker Incoloy 800s högre nickelhalt lösligheten och diffusionshastigheten för kol i metallmatrisen, vilket är den centrala anledningen till att den motstår uppkolning bättre än 310S (diskuteras nedan). För det andra bildar 800-tals aluminium och titan fina intermetalliska fällningar som stöder förhöjd-temperaturhållfasthet - en fördel som 310S inte har.

Vilken legering tål högre ugnstemperaturer?

310S har ett något högre klassificerat tak för ren oxidationsbeständighet (upp till ungefär 1150 grader mot ungefär 1100 grader för Incoloy 800), men Incoloy 800 behåller sin mekaniska styrka och strukturella stabilitet bättre över det temperaturintervall som en sprickugn faktiskt arbetar i.

Oxidationsbeständighet och strukturell prestanda är två olika egenskaper, och det är här som de två legeringarna oftast förväxlas. 310S:s höga krominnehåll ger den utmärkt beläggningsstabilitet i rena, oxiderande atmosfärer, vilket är anledningen till att det är vanligt i ugnsfoder, ugnsbeslag och värmebehandlingskorgar-. Men en sprickugn är inte en ren oxiderande atmosfär - den kombinerar hög temperatur med ett reducerande, kol-rikt gränsskikt på metallytan, plus ihållande mekanisk belastning från rörets egen vikt och termiska cykler. Under dessa kombinerade förhållanden behåller Incoloy 800 -, särskilt 800H- och 800HT-kvaliteterna - högre kryphållfasthet och dimensionsstabilitet, vilket är anledningen till att det är standardvalet för lastbärande ugnsinteriörer snarare än 310S.

Vilken legering motstår förkolning bättre?

Incoloy 800 motstår uppkolning avsevärt bättre än 310S, eftersom dess högre nickelhalt minskar både lösligheten och den inåtriktade diffusionshastigheten av kol vid ugnstemperaturer - och uppkolning, inte enkel oxidation, är det dominerande felläget i sprickugnshårdvara.

Förkolning sker när kol från spruckna kolväten eller vidhäftad koks diffunderar in i metallytan och bildar sköra karbider längs korngränserna. Det uppkolade lagret förlorar duktilitet och blir benäget att spricka under de termiska och mekaniska påfrestningarna från normal ugnscykling. Eftersom nickel har låg kollöslighet, motstår legeringar som är rikare på nickel denna attack mycket bättre än järn-kromkvaliteter. 310S, med endast 19–22 % nickel, är markant mer mottagliga för förkolning försprödning än Incoloy 800 i samma koks-förorening.

En dokumenterad felanalys av en överföringsledning för etenugnsutlopp gör poängen väl: ett Incoloy 800H-rör - som redan är en av de mer förkolningsbeständiga-legeringarna som finns tillgängliga - sprack genom sin fulla väggtjocklek efter fem års drift när koksavlagringar höjde väggtemperaturen och exponerade den inre ytan för en tillräckligt lång{4} kol för den. Fallet illustrerar två saker på en gång: uppkolning är den mekanism som ugnsingenjörer måste designa mot framför alla andra, och även Incoloy 800H är inte uppkolningssäker- om koksning och temperaturkontroll inte hanteras - vilket gör den mycket mer kol-känsliga 310S till ett dåligt val för varje ugnskontaktzon med varaktig kokskontakt.

Vilken legering har bättre långvarig-krypning och belastning-bärhållfasthet?

Incoloy 800 -, särskilt 800H- och 800HT-kvaliteterna - erbjuder en signifikant högre kryp-brottstyrka för lastbärande-komponenter; 310S är endast lämplig för lätt belastad, icke-kritisk ugnshårdvara.

Ugnsrörsstöd, hängare och överförings-ledningsväxlarrörplåt bär ihållande mekanisk belastning vid hög temperatur i åratal mellan vändningar, så krypmotstånd (den långsamma, permanenta deformation som sker under belastning vid hög temperatur) är lika viktig som korrosionsbeständighet. Incoloy 800H och 800HT använder kontrollerat kolinnehåll och grövre kornstorlek specifikt för att öka krypnings-brottlivslängden. 310S designades inte med detta mål och, även om det kan användas för lätt belastade konsoler, bafflar och icke-invändiga delar, är den inte den föredragna specifikationen för någon komponent som måste bära över en pälstemperatur. fler-års löplängd.

Vilken legering kostar mindre att köpa?

310S kostar mindre per-kilo än Incoloy 800, eftersom nickel är det dyraste legeringselementet i båda och 310S innehåller ungefär 30–40 % mindre av det.

Basmetallprissättningen för båda legeringarna går med London Metal Exchanges nickelpris, men effekten är proportionell mot nickelhalten. Eftersom Incoloy 800 bär ungefär 30–35 % nickel jämfört med ungefär 19–22 % för 310S, är dess brukspris per kilogram konsekvent högre, och det gapet ökar när nickelpriset stiger. För budget-begränsade projekt eller komponenter utanför ugnens mest allvarliga zoner är denna prisgap vid köp- en legitim anledning att specificera 310S.

Vilken legering ger en lägre total ägandekostnad?

Det finns ingen universell vinnare: Incoloy 800 vinner vanligtvis på den totala ägandekostnaden i zoner med hög-förkolning, belastning- eftersom det undviker för tidigt fel och oplanerad stilleståndstid; 310S vinner vanligtvis på den totala ägandekostnaden i områden med lägre-allvarlighet där dess lägre inköpspris inte kompenseras av någon väsentlig fördel.

Inköpspriset är endast en rad i kostnadsekvationen. En etenknäckares produktionsvärde uppgår till miljontals dollar per dag, så ett oplanerat avbrott orsakat av en sprucken rörhängare eller en uppkolad överförings-slang kan kosta mycket mer än hela materialbudgeten för den komponenten - många gånger om, när en förlorad produktion, nödreparationsarbete och snabba reservdelar ingår.

I zoner med långvarig kokskontakt, hög mekanisk belastning eller begränsad åtkomst till inspektion för inspektion, återvinns normalt Incoloy 800s högre inköpspris flera gånger under förlängd livslängd och undviks stillestånd. I zoner med lägre-temperatur och låg-belastning med enkel åtkomst för rutininspektion och byte, ger samma premium få praktiska fördelar, och 310S är den mer rationella specifikationen.

Var ska varje legering användas i en etylenkrackningsugn?

Reservera Incoloy 800/800H för förkolning-benägen, belastande-bärande komponenter - strålande-sektionsrörstöd och hängare, och överförings-ledningsväxlarrör och rörplåtar - och använd 310S för lägre-sektions-, konvektions-{1}- och hårdvarubelastningar icke-tryck interna delar.

Det är också värt att vara exakt om vad ingen av legeringarna används till: själva strålningsspolen - det primära sprickröret som utsätts direkt för eldstadstemperaturer över 1000 grader - är normalt centrifugalgjuten HK-40, HP, eller en modifierad HP-legering, inte Incoloy 8000 eller 310S. Incoloy 800 och 310S tävlar om ugnens stödjande hårdvara och värmeåtervinningsutrustning, inte strålningsspolen.

Tabell 2 - Vägledande val av legering per ugnszon. Bekräfta alltid mot ugnslicensgivarens mekaniska design och anläggningens faktiska metall-temperatur och koksprofil.

Hur ska du välja mellan Incoloy 800 och 310S för ditt projekt?

Basera beslutet på fyra frågor - högsta metalltemperatur, exponering för kol/koks, mekanisk belastning och omloppsintervall - snarare än bara på inköpspriset.

• Toppmetalltemperatur: överstiger komponenten regelbundet ungefär 815 grader, där både krypning och uppkolning accelererar?
• Kolexponering: är ytan i varaktig kontakt med spruckna kolväten eller koksavlagringar, eller är den isolerad från processgasen?
• Mekanisk funktion: bär komponenten strukturell eller tryck-gränsbelastning, eller är det en lätt belastad konsol, baffel eller sköld?
• Omloppsintervall och åtkomst: hur länge måste komponenten hålla mellan inspektionerna och hur störande är ett oplanerat byte?

Om svaret på de tre första frågorna lutar mot hård service är Incoloy 800 (eller 800H/800HT för de mest krävande, lastbärande positionerna) det tekniskt och ekonomiskt sunda valet trots det högre inköpspriset. Om komponenten sitter i en svalare, lägre-last och lätt inspekterad zon, levererar 310S adekvat prestanda till en betydligt lägre kostnad.

Sammanfattning

Vanliga frågor

Är Incoloy 800 detsamma som 310 rostfritt stål?

Nr. Incoloy 800 är en nickel-järn-kromlegering med ungefär 30–35 % nickel, medan 310S är ett järn-krom-nickel av rostfritt stål med ungefär 19–22 % nickel. De är besläktade i tillämpning men tillhör olika legeringsfamiljer med olika styrande egenskaper.

Kan Incoloy 800 och 310S svetsas till varandra?

Ja, olika-metallsvetsar mellan Incoloy 800 och 310S är vanliga vid ugnstillverkning och är vanligtvis gjorda med en nickel-baserad tillsatsmetall för att ta hänsyn till skillnaden i termisk expansion och sammansättning mellan de två legeringarna.

Vilken legering används för själva strålningsspolen (sprickröret)?

Varken Incoloy 800 eller 310S. Strålningsspolar använder normalt centrifugalgjutna HK-40, HP eller modifierade HP-legeringar, som är designade för de extrema kraven på krypning och temperatur i eldstaden. Incoloy 800 och 310S är specificerade för att stödja hårdvara, inte själva spolen.

Motstår 310S överhuvudtaget uppkolning?

310S erbjuder viss uppkolningsmotstånd från dess krominnehåll, men väsentligt mindre än Incoloy 800, eftersom uppkolningsmotståndet skalar främst med nickelinnehåll och 310S har ungefär hälften av nickel av Incoloy 800.

Är Incoloy 800 alltid det bättre valet oavsett kostnad?

Nej. I låga-temperaturer, låg-last, lättinspekterade ugnszoner, ger 310S adekvat prestanda till ett lägre inköpspris, och specificerar Incoloy 800 där ökar kostnaden utan motsvarande service-livsfördelar.