Acciaio inossidabile Incoloy 800 vs 310S: costi e prestazioni nei forni di cracking dell'etilene

I forni per il cracking dell'etilene gestiscono alcuni degli ambienti metallurgici più difficili dell'industria di processo: temperature dei metalli superiori a 900 gradi, un'atmosfera ricca di carbonio-da idrocarburi e coke crackizzati e anni di cicli termici continui tra il funzionamento e il decoking. Scegliere la lega sbagliata per un componente di un forno non solo ne riduce la durata -, ma può anche innescare un arresto non pianificato che costa all'operatore del cracker molto più di quanto costerebbe il materiale stesso.

Incoloy 800(UNS N08800)EAcciaio inossidabile 310S(UNS S31008) sono le due leghe più comunemente confrontate per -hardware di forni radianti - supporti di tubi, ganci, deflettori e parti di scambiatori di linee di trasferimento-. Questa guida risponde alle domande che gli ingegneri effettivamente pongono quando specificano tra di loro, con prima una risposta chiara e il ragionamento tecnico che sta dietro.

Cosa sono gli acciai inossidabili Incoloy 800 e 310S?

Incoloy 800 è una lega di nichel-ferro-cromo costruita con un elevato contenuto di nichel per la resistenza alla corrosione alle alte-temperature; 310S è un acciaio inossidabile austenitico ad alto contenuto di cromo- costruito per resistere all'ossidazione a un costo del materiale inferiore.

Incoloy 800(e le sue varianti di-carbonio superiore 800H e 800HT) è una lega di-soluzione-rinforzata di nichel-ferro-cromo sviluppata specificatamente per un servizio prolungato in atmosfere ad alta-temperatura, contenenti carbonio- e zolfo-. Il suo contenuto di nichel - circa il doppio di quello del 310S - è l'unica caratteristica di progettazione che definisce il suo comportamento in un forno di cracking.

310S è la variante a basso-carbonio della famiglia di acciai inossidabili austenitici 25-20 (Tipo 310). Si basa su un elevato contenuto di cromo per formare una scaglia di ossido di cromo stabile e protettiva ed è ampiamente utilizzato nell'industria di processo ovunque sia necessaria resistenza all'ossidazione ad alta temperatura senza il costo di una lega di nichel.

Qual è la differenza compositiva chiave tra le due leghe?

Il contenuto di nichel è la differenza decisiva: circa il 30–35% in Incoloy 800 contro circa il 19–22% in 310S - e questo divario è ciò che guida ogni differenza di prestazioni e costi discussa in questo articolo.

Tabella 1 - Intervalli di composizione nominale secondo ASTM B408/ASTM A240.

Spiccano due caratteristiche. Innanzitutto, il maggiore contenuto di nichel dell'Incoloy 800 riduce la solubilità e la velocità di diffusione del carbonio nella matrice metallica, che è la ragione principale per cui resiste alla carburazione meglio del 310S (discusso di seguito). In secondo luogo, le aggiunte di alluminio e titanio dell'800 formano fini precipitati intermetallici che supportano un'elevata-resistenza alla temperatura - un vantaggio che il 310S non ha.

Quale lega resiste alle temperature del forno più elevate?

310S ha un limite nominale leggermente più alto per la resistenza all'ossidazione pura (fino a circa 1150 gradi contro circa 1100 gradi per Incoloy 800), ma Incoloy 800 mantiene la sua resistenza meccanica e stabilità strutturale meglio nell'intervallo di temperature in cui opera effettivamente un forno di cracking.

La resistenza all'ossidazione e le prestazioni strutturali sono due proprietà diverse, ed è qui che le due leghe vengono spesso confuse. 310L'elevato contenuto di cromo di S conferisce un'eccellente stabilità della scala in atmosfere pulite e ossidanti, motivo per cui è comune nei rivestimenti dei forni, nell'hardware dei forni e nei cestelli per i trattamenti termici-. Ma un forno di cracking non è un'atmosfera ossidante pulita - combina l'alta temperatura con uno strato limite riducente e ricco di carbonio-sulla superficie del metallo, oltre al carico meccanico sostenuto dovuto al peso proprio del tubo e al ciclo termico. In queste condizioni combinate, Incoloy 800 -, in particolare i gradi 800H e 800HT -, mantiene una maggiore resistenza allo scorrimento viscoso e stabilità dimensionale, motivo per cui è la scelta predefinita per gli interni dei forni a carico-piuttosto che 310S.

Quale lega resiste meglio alla carburazione?

Incoloy 800 resiste alla carburazione sostanzialmente meglio del 310S, perché il suo contenuto di nichel più elevato riduce sia la solubilità che la velocità di diffusione verso l'interno del carbonio alle temperature del forno - e la carburazione, non la semplice ossidazione, è la modalità di guasto dominante nel cracking dell'hardware del forno.

La carburazione si verifica quando il carbonio proveniente da idrocarburi crackizzati o da coke aderito si diffonde nella superficie del metallo, formando carburi fragili lungo i bordi dei grani. Lo strato cementato perde duttilità e diventa soggetto a fessurazioni sotto le sollecitazioni termiche e meccaniche del normale ciclo del forno. Poiché il nichel ha una bassa solubilità nel carbonio, le leghe più ricche di nichel resistono a questo attacco molto meglio dei tipi di ferro-cromo. 310S, con solo il 19–22% di nichel, è notevolmente più suscettibile all'infragilimento da carburazione rispetto a Incoloy 800 nello stesso servizio con coke-.

Un'analisi documentata dei guasti di una linea di trasferimento all'uscita di un forno per etilene chiarisce bene il punto: un tubo Incoloy 800H - già una delle leghe più resistenti alla carburazione-disponibili - si è rotto attraverso l'intero spessore della sua parete dopo cinque anni di servizio quando i depositi di coke hanno aumentato la temperatura della parete ed esposto la superficie interna a un'atmosfera ricca di carbonio- abbastanza a lungo da infragilirla. Il caso illustra due cose contemporaneamente: la carburazione è il meccanismo che gli ingegneri delle fornaci devono progettare rispetto a tutti gli altri, e anche Incoloy 800H non è a prova di carburazione-se la cokefazione e il controllo della temperatura non sono gestiti - il che rende il 310S, molto più sensibile al carbonio-una scelta sbagliata per qualsiasi zona della fornace con contatto prolungato con coke.

Quale lega ha una migliore resistenza allo scorrimento e al carico a lungo termine-?

Incoloy 800 - in particolare i gradi 800H e 800HT - offre una resistenza allo scorrimento-alla rottura significativamente più elevata per i componenti-portanti; 310S è adeguato solo per l'hardware del forno con carico leggero e non-critico.

I supporti dei tubi del forno, i ganci e le piastre tubiere dello scambiatore-della linea di trasferimento sopportano un carico meccanico sostenuto ad alta temperatura per anni tra un ciclo di lavorazione e l'altro, quindi la resistenza al creep (la deformazione lenta e permanente che si verifica sotto carico ad alta temperatura) è importante quanto la resistenza alla corrosione. Incoloy 800H e 800HT utilizzano un contenuto di carbonio controllato e una granulometria più grossolana specificatamente per aumentare la -durata della rottura. 310S non è stato progettato con questo obiettivo e, sebbene utilizzabile per staffe, deflettori e componenti interni non sotto-pressione, non è la specifica preferita per qualsiasi componente che deve sopportare un carico strutturale alla temperatura di picco del forno per una durata di esercizio di più-anni.

Quale lega costa meno da acquistare?

Il 310S costa meno al-chilogrammo rispetto all'Incoloy 800, perché il nichel è l'elemento di lega più costoso in entrambi e il 310S ne contiene circa il 30–40% in meno.

Il prezzo dei metalli di base per entrambe le leghe varia con il prezzo del nichel del London Metal Exchange, ma l’effetto è proporzionale al contenuto di nichel. Poiché Incoloy 800 contiene circa il 30-35% di nichel contro circa il 19-22% del 310S, il suo prezzo di produzione per chilogrammo è costantemente più alto e tale divario si allarga ogni volta che i prezzi del nichel aumentano. Per progetti o componenti con budget limitato-al di fuori delle zone più difficili del forno, questo divario-del prezzo di acquisto è un motivo legittimo per specificare 310S.

Quale lega offre un costo totale di proprietà inferiore?

Non esiste un vincitore universale: Incoloy 800 in genere vince in termini di costo totale di proprietà nelle zone ad alta-carburazione e-portanti perché evita guasti prematuri e tempi di inattività non pianificati; Il 310S in genere vince in termini di costo totale di proprietà nelle zone di gravità inferiore-dove il suo prezzo di acquisto inferiore non è compensato da alcun vantaggio materiale.

Il prezzo di acquisto è solo una riga nell’equazione dei costi. Il valore di produzione di un cracker di etilene ammonta a milioni di dollari al giorno, quindi un'interruzione non pianificata causata da un supporto del tubo rotto o da una piastra tubiera della linea di trasferimento-carburata può costare molto più dell'intero budget del materiale per quel componente - molte volte, una volta persa la produzione, manodopera di riparazione di emergenza e parti di ricambio rapide.

Nelle zone con contatto prolungato con coke, carico meccanico elevato o accesso limitato per l'ispezione, il prezzo di acquisto più elevato di Incoloy 800 viene normalmente recuperato più volte grazie alla durata di servizio estesa e ai tempi di inattività evitati. Nelle zone a-temperatura più bassa e a-carico basso con facile accesso per ispezioni e sostituzioni di routine, lo stesso premio comporta pochi vantaggi pratici e il 310S è la specifica più razionale.

Dove dovrebbe essere utilizzata ciascuna lega in un forno di cracking dell'etilene?

Prenotare Incoloy 800/800H per componenti portanti-incline a carburazione- - supporti e ganci per tubi a sezione radiante-e tubi e piastre tubiere per scambiatori di linea-di trasferimento - e utilizzare 310S per hardware a sezione-convettiva-per carichi inferiori, deflettori e componenti interni non-a pressione.

Vale anche la pena di essere precisi riguardo allo scopo per cui non viene utilizzata nessuna delle due leghe: la bobina radiante stessa - il tubo di cracking primario esposto direttamente a temperature del focolare superiori a 1000 gradi - è normalmente fuso in centrifuga HK-40, HP o una lega HP modificata, non Incoloy 800 o 310S. Incoloy 800 e 310S competono per l'hardware di supporto del forno e per le apparecchiature di recupero del calore, non per la serpentina radiante.

Tabella 2 - Selezione indicativa delle leghe per zona del forno. Confermare sempre la base di progettazione meccanica del concessore della licenza del forno, la temperatura effettiva del metallo-e il profilo di cokefazione dell'impianto.

Come dovresti scegliere tra Incoloy 800 e 310S per il tuo progetto?

Basare la decisione su quattro domande - temperatura di picco del metallo, esposizione a carbone/coke, carico meccanico e intervallo di consegna - anziché solo sul prezzo di acquisto.

• Temperatura di picco del metallo: il componente supera regolarmente circa 815 gradi, dove lo scorrimento viscoso e la carburazione accelerano?
• Esposizione al carbonio: la superficie è a contatto prolungato con idrocarburi crackizzati o depositi di coke oppure è isolata dal gas di processo?
• Lavoro meccanico: il componente sopporta un carico strutturale o di pressione-limite oppure si tratta di una staffa, un deflettore o uno schermo con carico leggero?
• Intervallo di consegna e accesso: quanto tempo deve durare il componente tra un'ispezione e l'altra e quanto può essere dannosa una sostituzione non pianificata?

Se la risposta alle prime tre domande tende verso un servizio severo, Incoloy 800 (o 800H/800HT per le posizioni di carico-più impegnative) è la scelta tecnicamente ed economicamente valida nonostante il prezzo di acquisto più elevato. Se il componente si trova in una zona più fresca, con carico inferiore-e facilmente ispezionabile, il 310S offre prestazioni adeguate a un costo significativamente inferiore.

Riepilogo

Domande frequenti

Incoloy 800 è uguale all'acciaio inossidabile 310?

No. Incoloy 800 è una lega di nichel-ferro-cromo con circa il 30–35% di nichel, mentre 310S è un acciaio inossidabile di ferro-cromo-nichel con circa il 19–22% di nichel. Sono correlati nell'applicazione ma appartengono a famiglie di leghe diverse con proprietà di governo diverse.

È possibile saldare tra loro Incoloy 800 e 310S?

Sì, saldature di metalli diversi-tra Incoloy 800 e 310S sono comuni nella fabbricazione di forni e sono generalmente realizzate con un metallo d'apporto a base di nichel-per compensare la differenza di dilatazione termica e composizione tra le due leghe.

Quale lega viene utilizzata per la serpentina radiante (tubo di cracking) stessa?

Né Incoloy 800 né 310S. Le bobine radianti normalmente utilizzano leghe HK-40, HP o HP modificate mediante fusione centrifuga, progettate per le esigenze estreme di scorrimento e temperatura del focolare. Incoloy 800 e 310S sono specificati per supportare l'hardware, non la bobina stessa.

Il 310S resiste del tutto alla carburazione?

Il 310S offre una certa resistenza alla carburazione grazie al suo contenuto di cromo, ma sostanzialmente inferiore all'Incoloy 800, poiché la resistenza alla carburazione varia principalmente con il contenuto di nichel e il 310S ha circa la metà del nichel dell'Incoloy 800.

Incoloy 800 è sempre la scelta migliore indipendentemente dal costo?

No. Nelle zone con fornaci a-temperatura più bassa, a basso-carico e facilmente ispezionabili, 310S fornisce prestazioni adeguate a un prezzo di acquisto inferiore e la specifica di Incoloy 800 aggiunge costi senza un corrispondente vantaggio sulla-durata del servizio.