Каковы коррозионные ограничения труб Incoloy 800H/HT?

1. Вопрос: Каковы основные различия между Incoloy 800, 800H и 800HT с точки зрения химического состава, термической обработки и высоко-температурной прочности?

A:Incoloy 800 (UNS N08800), 800H (N08810) и 800HT (N08811) представляют собой сплавы железа-никеля-хрома с номинальным содержанием 30–35 % Ni, 19–23 % Cr и 39–42 % Fe. Однако они существенно различаются посодержание углерода, содержание алюминия + титана и термообработка, что напрямую влияет на их-механические характеристики при высоких температурах.

Инколой 800 (UNS N08800):

Углерод: максимум 0,10% (обычно 0,05–0,07%)

Ал + Ти: 0,3–1,2% (вместе)

Термическая обработка: Раствор отожжен при температуре 980–1038 градусов (1800–1900 градусов F), затем закален в воде или быстро охлажден.

Размер зерна: ASTM 5 или мельче (обычно 20–50 мкм)

Ключевая характеристика: Самая высокая пластичность и технологичность, но самая низкая прочность на ползучесть. В основном используется для применений при температуре ниже 600 градусов (1110 градусов F), где ползучесть не является проблемой.

Инколой 800H (UNS N08810):

Углерод: 0,05–0,10 % (контролируется по верхнему диапазону)

Ал + Ти: 0.3–1.2%

Термическая обработка: Раствор, отожженный при температуре 1121–1177 градусов (2050–2150 градусов F) -, значительно выше, чем 800 -, с последующим быстрым охлаждением.

Размер зерна: ASTM 5 или крупнее (средний диаметр зерна минимум 90 мкм согласно коду ASME)

Ключевая характеристика: Крупный размер зерна и более высокое содержание углерода обеспечивают повышенную прочность на разрыв при ползучести выше 650 градусов (1200 градусов F). Крупные зерна уменьшают скольжение по границам зерен при повышенных температурах.

Инколой 800HT (UNS N08811):

Углерод: 0.06–0.10%

Ал + Ти: 0,85–1,2% (контролируется до верхнего диапазона, минимум 0,85% в совокупности)

Термическая обработка: То же, что и 800H: 1121–1177 градусов (2050–2150 градусов по Фаренгейту), быстрое охлаждение.

Размер зерна: ASTM 5 или грубее (минимум 90 мкм)

Ключевая характеристика: Более высокое содержание Al + Ti (минимум 0,85%) способствует образованию мелких, когерентных (Ni₃(Al,Ti)) выделений во время эксплуатации, которые обеспечивают дисперсионное упрочнение. . 800HT обеспечивает самую высокую прочность ползучести среди трех марок, примерно на 20–30 % более высокую прочность на разрыв в течение 100 000 часов, чем 800H при 750 градусах.

Практическое значение при выборе труб:

800 труба: используется для применений с низкой-температурой (меньше или равной 600 градусов) или без -ползучести-ограничений, таких как линии питательной воды парогенератора, трубопроводы передачи щелочи.

труба 800H: Стандартный выбор для труб нефтехимических печей, выпускных коллекторов риформинга и змеевиков крекинга этилена, работающих при температуре 650–800 градусов.

труба 800HT: Предпочтителен для применений с высокими-напряжениями и высокими-температурами, например, в трубах пароперегревателей, выводах установок риформинга аммиака и выпускных линиях установок риформинга водорода, где требуется максимальный срок службы ползучести.

2. Вопрос: Почему трубы Incoloy 800H/800HT предпочтительнее труб из нержавеющей стали 310H для установок парового риформинга метана (SMR) и печей крекинга этилена?

A:Трубы Incoloy 800H и 800HT являются отраслевыми стандартами дляпаровые риформеры метана (SMR)на установках водорода и аммиака, а такжепечи пиролиза этиленав нефтехимических крекерах. Несколько фундаментальных свойств оправдывают их предпочтение перед нержавеющей сталью 310H (UNS S31009, 25% Cr, 20% Ni):

а) Превосходная прочность на ползучесть при температуре 700–950 градусов (1290–1740 градусов по Фаренгейту):

При температуре 870 градусов (1600 градусов F) предел прочности стали 800HT при ползучести в течение 100 000 часов составляет примерно 20–25 МПа по сравнению с 12–15 МПа для стали 310H. Это означает увеличение толщины стенок трубок 310H на 40–60 % для достижения того же расчетного срока службы (обычно 100 000 часов для установок риформинга).

б) Устойчивость к сигма-фазовому охрупчиванию:

310H содержит 25% Cr и не обогащен никелем; он образует хрупкую сигма-фазу (интерметаллид FeCr) после длительного-выдержки при температуре 550–750 градусов, что снижает пластичность и ударную вязкость почти до нуля. Incoloy 800H/HT с более высоким содержанием никеля (30–35%) полностью подавляет образование сигма-фазы. Это критически важно для труб риформинга, которые подвергаются термоциклированию во время запуска и остановки установки.

в) Меньшее тепловое расширение:

Incoloy 800H/HT имеет коэффициент теплового расширения (КТР) примерно 14,4 × 10⁻⁶/градус (20–800 градусов) по сравнению с 17,5 × 10⁻⁶/градус для 310H. Более низкий КТР снижает термические напряжения в толстостенных-трубах и сводит к минимуму деформацию змеевиков печи.

г) Устойчивость к металлическому пылению (катастрофическому науглероживанию):

В среде синтез-газа (CO + H₂) при температуре 450–750 градусов 310H подвергается металлическому пылению - распаду металла на мелкие частицы, богатые углеродом-. Более высокое содержание никеля в Incoloy 800H/HT (30–35%) образует более защитный-поверхностный слой, который препятствует проникновению углерода. В условиях сильного запыления металлом сталь 800HT с контролируемым содержанием Al + Ti обеспечивает еще большую стойкость.

д) Свариваемость и ремонт:

Трубы 310H склонны к образованию горячих трещин во время сварки и после-термической обработки из-за полностью ферритного-аустенитного режима затвердевания. Incoloy 800H/HT надежно сваривается с подходящими присадочными металлами (ERNiCr-3) и может быть отремонтирован на месте во время остановки установки, что является решающим преимуществом при замене труб реформинга.

Экономическое сравнение:

Таким образом, хотя 310H имеет более низкую первоначальную стоимость материала, требуемые более толстые стенки, более короткий расчетный срок службы и риск охрупчивания делают Incoloy 800H/HT лучшим выбором.технически превосходный и экономически оправданный выбордля трубопроводов печей, работающих при критических-температурах.

3. Вопрос: Какие методы изготовления и сварки необходимы для труб Incoloy 800H/800HT, чтобы сохранить свойства ползучести при высоких-температурах?

A:Правильное изготовление и сварка труб Incoloy 800H/HT необходимы для сохранения крупнозернистой структуры и потенциала дисперсионного-упрочнения, которые обеспечивают сопротивление ползучести при высоких-температурах. Неправильные действия могут сократить срок службы ползучести на 50–80%.

Сварочные процессы и присадочные металлы:

Предпочтительные процессы: GTAW (TIG) для корневых проходов, GTAW или GMAW (MIG) для заливки и заглушки. SMAW (палка) приемлем для сварки в полевых условиях, но требует более строгого контроля.

Присадочный металл: ERNiCr-3 (Инконель 82) или ERNiCrFe-6. Не используйте соответствующий наполнитель 800H – в нем отсутствует ниобий, необходимый для предотвращения горячего растрескивания. ЭРНиКр-3 содержит 2–3% Nb, который связывает примеси серы и фосфора.

Предварительная-очистка: Удалите все масло, жир, краску и маркировочные составы,-содержащие серу. Используйте очистку ацетоном или спиртом, а затем очистите проволокой из нержавеющей стали.

Критические элементы управления сваркой:

Ограничение тепловложения: Поддерживайте температуру между проходами ниже 150 градусов (300 градусов F). Максимальная тепловложение: 25–35 кДж/дюйм при толщине стенки 6–15 мм. Чрезмерное тепло растворяет границы крупных зерен, создавая мелкозернистую зону теплового воздействия (ЗТВ), которая имеет значительно меньшую прочность на ползучесть.

Без термообработки после-сварки (PWHT): В отличие от многих легированных сталей, трубы 800H/HT должнынетполучить PWHT. Термическая обработка при температуре выше 1000 градусов приведет к рекристаллизации крупнозернистой структуры (минимум 90 мкм) в мелкие зерна (20–30 мкм), разрушая сопротивление ползучести. Состояние-сварного состояния с присадкой ЭРНиКр-3 приемлемо для эксплуатации при температуре до 950 градусов.

Обратная-очистка: Для корневых проходов выполните обратную-продувку аргоном (минимум 99,995 %), чтобы предотвратить внутреннее окисление. Окисление в корне сварного шва создает зоны,-обедненные хромом, которые растрескиваются при ползучести.

Гибка и формовка:

Горячая гибка: Нагрейте равномерно до 1050–1150 градусов (1920–2100 градусов по Фаренгейту). Не превышайте температуру 1170 градусов (2140 градусов F), чтобы избежать плавления карбидов по границам зерен. Согните, затем быстро охладите (распылением воды или принудительной подачей воздуха).Немедленное охлаждение - приводит к неконтролируемому выделению карбидов на границах зерен.

Холодная гибка: Для диаметров до 200 мм и отношения толщины (D/t) > 20 возможна холодная гибка с пределом удлинения 15–20%. Однако холодный изгиб создает остаточные напряжения и снижает долговечность ползучести на 10–20%. Снятие напряжения при температуре 870 градусов (1600 градусов F) в течение 1 часа восстанавливает большую часть сопротивления ползучести.

Требования к проверке:

Радиографическое исследование (РТ) : 100% of girth welds in reformer service - reject any porosity >1,5 мм или линейные показания.

Капиллярное тестирование (ПТ): Все готовые сварные швы, включая отремонтированные участки.

Проверка твердости: Weld metal hardness should be within 10 HRC of base metal. Excessive hardness (>95 HRB) указывает на неправильный подвод тепла или выбор наполнителя.

Распространенные ошибки при изготовлении, которых следует избегать:

Шлифование загрязненными кругами: Никогда не используйте круги, ранее использовавшиеся для обработки углеродистой стали. - входящие в них частицы железа вызывают образование горячих трещин.

Чрезмерное-старение при горячей гибке: Holding at 1050–1150°C for >Через 30 минут осадок грубеет и снижается прочность.

Использование опорных колец из углеродистой стали: Они приводят к загрязнению серой и углеродом. Используйте основу из керамики или-никелевого сплава.

Следование этим правилам гарантирует, что сварная труба из Incoloy 800H/HT достигнет не менее 90 % срока службы основного металла при ползучести -, необходимого для расчетного срока службы в 100 000 часов в нефтехимических печах.

4. Вопрос: Каковы особенности проектирования труб Incoloy 800H/HT для работы с водородом при высоких-температурах и-давлениях (например, в установках риформинга водорода, на установках по производству аммиака)?

A:Трубы Incoloy 800H/HT широко используются вработа с водородом при температуре 700–950 градусов и давлении до 35 бар (500 фунтов на квадратный дюйм), особенно в установках парового риформинга метана (SMR) и на заводах по производству аммиака. Применяются несколько уникальных конструктивных соображений:

а) Взаимодействие с ползучестью-усталостью:

Реформаторы подвергаются ежедневным термическим циклам (запуск/останов) и длительному -стабильному- состоянию. Такая комбинация сокращает жизнь больше, чем любой из механизмов по отдельности. Нормы проектирования (ASME, раздел VIII, раздел 2, EN 13445) требуютанализ взаимодействия ползучести-усталостииспользуя правило суммирования линейного ущерба:

∑(n/Nd)+∑(t/Tr) Меньше или равно 1∑(n/Nd​)+∑(t/Tr​) Меньше или равно 1

Где n=количество циклов, N_d=допустимых циклов только для усталости, t=время при температуре, T_r=долговечность при ползучести при этом напряжении/температуре.

Для типичного обслуживания SMR (10 000 циклов, 80 000 часов при 870 градусах) сумма повреждений от ползучести-усталости должна составлять<0.8 to provide safety margin.

б) Водородное охрупчивание при высокой температуре:

Вопреки распространенному мнению, водородное охрупчивание сплавов никеля-железанаиболее тяжелое при 300–500 градусах(572–932 градуса по Фаренгейту), а не при рабочих температурах риформера (800–900 градусов). При температуре 800 градусов водород быстро диффундирует и не накапливается на границах зерен. Однако во времязапуск и выключение(проходя через 400–500 градусов), водород, поглощенный при высокой температуре, может вызвать декогезию.

смягчение последствий: Продуйте печь инертным газом (азотом или паром) во время охлаждения ниже 500 градусов для удаления водорода. Конструкция рассчитана на минимальное время выдержки в диапазоне 400–500 градусов.

в) Науглероживание и коксование:

В паровых смесях углеводородов-активность углерода (aC) может превышать 1,0, что приводит к науглероживанию. Науглероживание увеличивает прочность, но снижает пластичность и может вызвать «металлическое пыление» в локализованных зонах.

Проектные ограничения по API 530: Для 800H/HT при работе с углеводородами ограничьте температуру металла до уровня менее или равного 900 градусам (1650 градусов F), а активность углерода до aC < 0,8. Если aC > 0,8 неизбежно, укажите 800HT (более высокое значение Al+Ti) и ограничьте температуру до 850 градусов.

Предотвращение коксования: Конструкция для турбулентного потока (число Рейнольдса > 10 000) для удаления предшественников углерода. Гладкое отверстие (Ra < 0,8 мкм) снижает прилипание кокса.

г) Окисление и растрескивание:

Защитная окалина Cr₂O₃ на 800H/HT отслаивается во время термоциклирования, поглощая хром из основного металла. После 50 000 часов при температуре 870 градусов обеднение хромом может снизить эффективный Cr с 20% до 12% на внутренней поверхности, ускоряя дальнейшее окисление.

Допуск на проектирование: API 530 определяет допуск на коррозию в размере 1,5–2,5 мм при сроке службы трубы риформинга 100 000 часов. Этот припуск учитывает потери металла от окисления и науглероживания.

д) Расположение и ориентация сварного соединения:

Кольцевые сварные швы при работе с водородом должны располагатьсявне зоны самой высокой температуры (typically >50 мм от пламени горелки реформинга). Сварные швы в лучистой части (800–950 градусов) выходят из строя в 3–5 раз быстрее, чем основной металл, из-за мелко-зернистой ЗТВ.

Предпочтительный дизайн: Используйте бесшовные трубы для всех излучающих секций; найдите сварные швы в конвекционной секции (температура < 650 градусов).

Краткое изложение норм проектирования трубопроводов установки водородного риформинга:

Инженеры, выбирающие трубы 800H/HT для работы с водородом, должны учитывать ползучесть-усталость, науглероживание, допуск на окисление и расположение сварных швов, чтобы обеспечить безопасный и экономичный расчетный срок службы в 100 000 часов.

5. Вопрос: Каковы ограничения коррозии труб Incoloy 800H/HT и когда следует выбирать альтернативные материалы (например, Inconel 625, Alloy 601)?

A:Несмотря на то, что Incoloy 800H/HT обеспечивает превосходные характеристики во многих средах с высокими-температурами, он имеет четко-определенные ограничения по коррозии. Осознание этих границ предотвращает преждевременный отказ.

а) Сульфидейшн (атака серы) при высокой температуре:

Ограничение: At >700°C (1290°F) in atmospheres containing >100 частей на миллион H₂S или SO₂, Incoloy 800H/HT образует легкоплавкую-точку плавления-текущую никеля-эвтектику сульфида никеля (Ni-Ni₃S₂, плавящаяся при 645 градусах). Этот