Incoloy 800 so với 800H so với 800HT: Hướng dẫn đầy đủ về phạm vi nhiệt độ và tham khảo lựa chọn vật liệu

Incoloy 800phù hợp cho dịch vụ liên tục lên tới 593 độ (1100 độ F).Incoloy 800Hmở rộng mức trần này lên 899 độ (1650 độ F) thông qua kích thước hạt và carbon được kiểm soát.Incoloy 800HTđẩy xa hơn tới 982 độ (1800 độ F) thông qua thông số kỹ thuật nhôm + titan chặt chẽ hơn. Cả ba đều là hợp kim crom sắt{4}}niken{5}}được tuân thủ theo các phê duyệt của ASTM B409/B514 và ASME Code Case, nhưng mỗi loại đều nhắm đến một nhiệm vụ nhiệt riêng biệt. Chọn sai loại là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng từ biến sớm trong thiết bị xử lý nhiệt độ-cao.

Giới thiệu

Nhóm Incoloy 800 là một trong những hợp kim crom sắt{1}}niken{2}}được chỉ định rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp chế biến trên toàn thế giới. Thoạt nhìn, ba lớp-Incoloy 800, Incoloy 800H, VàIncoloy 800HT-có vẻ gần giống nhau: cùng thành phần hóa học cơ bản, cùng dạng sản phẩm, thậm chí đôi khi có cùng mức giá mỗi kg. Tuy nhiên, hiệu suất-ở nhiệt độ cao của chúng lại khác biệt đáng kể. Việc chọn sai biến thể cho ứng dụng có nhiệt độ-cao có thể rút ngắn tuổi thọ sử dụng của thiết bị từ nhiều thập kỷ xuống còn nhiều năm.

Hướng dẫn này cung cấp sự so sánh chính xác, dựa trên dữ liệu-của cả ba cấp độ. Nó được cấu trúc để trả lời ba câu hỏi thực tế mà các kỹ sư phải đối mặt hàng ngày: ^[1,4]

Khoảng nhiệt độ nàomỗi lớp được thiết kế cho?

Sự khác biệt hóa học và vi cấu trúc là gìthúc đẩy những giới hạn nhiệt độ đó?

Tôi nên chỉ định lớp nàocho đơn đăng ký của tôi?

Cho dù bạn đang thiết kế một thiết bị chuyển hóa khí metan trong hơi nước, chỉ định ống quá nhiệt cho máy tạo hơi nước thu hồi nhiệt (HRSG) hay tìm nguồn cung ứng vật liệu cho lò Cracking ethylene, bài viết này sẽ cung cấp cho bạn các con số, tài liệu tham khảo tiêu chuẩn và logic quyết định mà bạn cần.

Nền hợp kim: Gia đình Incoloy 800

Cả ba loại đều có chung một đế crom sắt-niken- danh nghĩa: xấp xỉ32–35% trọng lượng Ni, 19–23% trọng lượng Cr, và sắt cân bằng. Sự kết hợp này tạo ra ma trận austenit ổn định (khối{1} tập trung vào mặt) có khả năng chống lại quá trình oxy hóa và cacbon hóa ở nhiệt độ cao-. Các loại này được phát triển dần dần bởi Special Metals Corporation (hiện là một phần của Precision Castparts Corp.) để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ nhiệt ngày càng khắt khe. ^[1]

Sự khác biệt kỹ thuật quan trọng không phải là hóa học số lượng lớn mà làhàm lượng carbon được kiểm soát, kích thước hạt, vàCân bằng nhôm + titan (Al + Ti)-ba biến số cùng xác định độ bền rão và độ ổn định của cấu trúc vi mô ở nhiệt độ cao. ^[4,6]

Incoloy 800 được giới thiệu vào những năm 1940 dưới dạng hợp kim trao đổi nhiệt-chống ăn mòn-có thể hàn và chống ăn mòn. Vào những năm 1960, nhu cầu về-nhu cầu xử lý hóa dầu ở nhiệt độ cao hơn đã thúc đẩy sự phát triển của 800H, yêu cầu kích thước hạt thô hơn (ASTM No. 5 hoặc thô hơn) để cải thiện khả năng chống rão. 800HT theo sau, thêm thông số kỹ thuật Al+Ti chặt chẽ hơn (0,85–1,20 wt% so với 0,30–1,20 wt% rộng hơn của 800 và 800H) để tiếp tục ổn định ma trận austenit chống lại sự hình thành pha sigma{18}}và sự thô hóa cacbua trên 800 độ . ^[1,4,5]

Thành phần hóa học

Các tiêu chuẩn ASTM B409 (tấm/tấm) và ASTM B514 (ống hàn) xác định các thành phần danh nghĩa sau. Các yếu tố khác biệt chính được làm nổi bật. ^[1,2]

Bảng 1. Phạm vi thành phần hóa học của Incoloy 800, 800H và 800HT theo tiêu chuẩn ASTM B409/B514. ★ biểu thị mức tối thiểu 800HT chặt chẽ hơn. [1,2]

Thông tin chi tiết chính:cácsàn carbon tối thiểu là 0,05 wt%ở 800H và 800HT là điểm khác biệt giữa chúng với tiêu chuẩn 800. Không có lượng carbon tối thiểu, các ranh giới hạt thiếu mạng lưới cacbua M₂₃C₆ để ghim các sai lệch khi chịu tải từ biến. Tầng carbon cao hơn cộng với kích thước hạt thô được kiểm soát là nền tảng luyện kim của xếp hạng nhiệt độ cao.

Điểm khác biệt chính trong nháy mắt

Bảng bên dưới tập hợp các điểm dữ liệu quan trọng-đặc điểm kỹ thuật nhất để tham khảo nhanh trong quá trình lựa chọn vật liệu.

Bảng 2. Tóm tắt thông số kỹ thuật song song cho Incoloy 800, 800H và 800HT. ★=thông số kỹ thuật chặt chẽ hơn trong 800HT. [1,2,4,5,8]

Tính chất cơ học so với nhiệt độ

Hiểu được cường độ chảy và độ bền kéo cuối cùng (UTS) giảm như thế nào khi nhiệt độ tăng là điều cần thiết cho thiết kế đường ống và bình chịu áp lực. Dữ liệu bên dưới được lấy từ các ấn phẩm kỹ thuật Kim loại đặc biệt và ASME Phần II, Phần D. ^[7,8]

Bảng 3. Các đặc tính cơ học về nhiệt độ-nâng cao. 'tối thiểu'=ASTM tối thiểu; các giá trị khác là dữ liệu được công bố điển hình. [1,7,8]

Ghi chú:Các giá trị được đánh dấu 'min' được đảm bảo ở mức tối thiểu theo tiêu chuẩn ASTM. Giá trị điển hình vượt quá mức tối thiểu. So sánh tuổi thọ đứt quãng-là tỷ lệ biểu thị dựa trên cường độ đứt gãy 1.000 giờ ở nhiệt độ vận hành tối đa tương ứng. ^[4,7]

Hướng dẫn lựa chọn phạm vi nhiệt độ

Bảng sau đây là công cụ quyết định trung tâm của bài viết này. Đối với mỗi dải nhiệt độ, nó xác định cấp độ nào phù hợp, cung cấp các ứng dụng đại diện và giải thích cơ sở kỹ thuật. Sử dụng bảng này làm bộ lọc đầu tiên trong quá trình lựa chọn vật liệu của bạn.

Bảng 4. Hướng dẫn lựa chọn phạm vi nhiệt độ. ✓=Phù hợp ✗=Không khuyến khích ⚠=Đánh giá cùng chuyên gia. [1,4,5,8]

Quy tắc kỹ thuật quan trọng:Không bao giờ sử dụng Incoloy 800 (UNS N08800) làm chất thay thế tiết kiệm chi phí-cho 800H hoặc 800HT trong các ứng dụng vượt quá 600 độ . Cấu trúc carbon và hạt mịn không được kiểm soát của nó tạo ra tốc độ rão cao hơn tới bốn lần so với 800HT ở 760 độ, vi phạm giới hạn ứng suất cho phép của ASME và có khả năng gây ra hỏng tàu thảm khốc.

Ứng dụng ngành theo cấp độ

Incoloy 800 - UNS N08800

Incoloy 800 là loại phù hợp cho dịch vụ có nhiệt độ-trung bình trong đóchi phí quan trọng hơn sức mạnh leo cuối cùng. Khả năng chống ăn mòn trong nước tuyệt vời của nó, kết hợp với khả năng chống oxy hóa rắn lên tới xấp xỉ 593 độ, khiến nó trở thành thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho: ^[1,5]

Ống và vỏ trao đổi nhiệttrong các nhà máy hóa chất (nhiệt độ chất lỏng dịch vụ dưới 500 độ)

Vỏ bọc cho các bộ phận làm nóng công nghiệp(thường là 400–550 độ) ^[9]

Thiết bị chế biến thực phẩmnơi yêu cầu đồng thời khả năng chống ăn mòn austenit và ổn định nhiệt độ

Bình nước nóng gia dụng và cuộn dây sưởi ấm gián tiếphoạt động dưới 300 độ

Ống quá nhiệt hơi nước áp suất thấp-trong nồi hơi công nghiệp được đánh giá dưới 540 độ

Incoloy 800H - UNS N08810

Incoloy 800H làcấp chính cho các bộ phận chứa áp suất nhiệt độ trung bình-đến{1}}áp suất nhiệt độ cao{2}}trong đó leo là chế độ thất bại chi phối. Nó thống trị các ứng dụng hóa dầu và sản xuất điện: ^[1,4,5]

Ống quá nhiệt và hâm nóng máy tạo hơi nước thu hồi nhiệt (HRSG)trong các nhà máy điện chu trình kết hợp-(nhiệt độ khí thải 600–850 độ)

Bộ trao đổi dòng cracker ethylene-(TLE)hoạt động ở 650–820 độ ^[6]

Ống góp và ống xả khí mê-tan (SMR) hơi nướcở 700–850 độ

Nồi hấp lò công nghiệp và lò giảm thanhtrong khoảng 700–880 độ

Đường ống xử lý nhà máy amoniacxử lý hỗn hợp hydro{0}}nitơ ở nhiệt độ và áp suất cao

Incoloy 800HT - UNS N08811

Incoloy 800HT làcấp cao cấp cho nhiệt độ làm việc liên tục cao nhấttrong họ 800. Thông số kỹ thuật Al+Ti chặt chẽ hơn của nó (tối thiểu 0,85% trọng lượng) đảm bảo khả năng chống chịu độ giòn pha sigma-cao hơn và tuổi thọ rão-tốt hơn ở nhiệt độ nơi 800H bắt đầu đạt đến giới hạn của nó: ^[1,4,5]

Cuộn dây bức xạ cải cách khí metanở 850–982 độ (ứng dụng nhiệt độ-cao nhất cho dòng 800)

Ống cải cách nhà máy sản xuất hydrohoạt động ở nhiệt độ đầu ra 800–900 độ

Các thành phần lò ủ và chuẩn hóa liên tụcnơi nhiệt độ chu kỳ giữa 850 độ và 980 độ

Hệ thống xả tuabin khívà thiết bị thu hồi nhiệt trong phạm vi 800–950 độ

Ống tạo hơi nước hạt nhântrong một số thiết kế lò phản ứng nhất định yêu cầu kết hợp khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ ^[10]

Tiêu chuẩn, Quy tắc và Phê duyệt

Cả ba loại đều được quản lý bởi cùng một họ tiêu chuẩn ASTM và ASME, nhưng các mã áp đặt các giới hạn nhiệt độ tối đa cho phép khác nhau để theo dõi xếp hạng nhiệt độ sử dụng được tóm tắt trong Phần 6.

Bảng 5. Các tiêu chuẩn áp dụng và phê duyệt mã cho dòng Incoloy 800. [1,3,8,11]

Ma trận quyết định lựa chọn vật liệu thực tế

Sử dụng ma trận sau làm bộ lọc phụ sau khi áp dụng hướng dẫn về phạm vi nhiệt độ trong Phần 6. Đánh dấu vào các tiêu chí liên quan đến dự án của bạn và làm theo đề xuất ở cột-bên phải.

Bảng 6. Ma trận quyết định lựa chọn vật liệu. ✓=Đáp ứng tiêu chí ✗=Không đáp ứng tiêu chí ⚠=Cần có điều kiện/xem xét. [1,4,5,8]

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Chỉ khi nhiệt độ sử dụng duy trì dưới 870 độ và tuổi thọ thiết kế dưới khoảng 30 năm. Trên 870 độ, hàm lượng Al+Ti thấp hơn của 800H dẫn đến sự phân hủy ranh giới hạt nhanh hơn và tốc độ rão cao hơn. Chi phí tăng thêm cho 800HT thường là 10–15% so với 800H, không đáng kể so với chi phí của chiến dịch thay thế ống lò sớm. ^[4,6]

Đúng. Vì 800HT (UNS N08811) về cơ bản là tập hợp con của phạm vi thành phần 800H (UNS N08810)-với Al+Ti chặt chẽ hơn và dải cacbon hẹp hơn-nên các nhà máy thường cung cấp nguyên liệu đáp ứng đồng thời cả hai thông số kỹ thuật. Chứng nhận kép giúp giảm độ phức tạp của hàng tồn kho cho nhà phân phối và người dùng cuối. Luôn yêu cầu báo cáo thử nghiệm toàn bộ nhà máy (MTR) để xác minh rằng cả hai bộ giới hạn đều được đáp ứng. ^[1]

AWS A5.14 ERNiFeCr-1 (thành phần phù hợp) hoặc ERNiCr-3 (Inconel 82) là các lựa chọn kim loại độn tiêu chuẩn cho cả ba loại. Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường không cần thiết đối với dịch vụ nước, nhưng việc ủ ổn định ở 1120 độ có thể được chỉ định cho các bộ phận 800H/HT dành cho dịch vụ nhiệt độ cao để khôi phục kích thước hạt được kiểm soát và phân bố cacbua. ^[1,12]

Cả hai đều là hợp kim austenit crom-có khả năng chống oxy hóa tốt nhưng phục vụ các mục đích khác nhau. SS 310S (UNS S31008) chứa khoảng 25% Cr và 20% Ni và được tối ưu hóa cho khả năng chống oxy hóa trong dịch vụ không liên tục lên tới khoảng 1040 độ. Incoloy 800HT chứa 30–35% Ni và được tối ưu hóa chosức mạnh leo duy trìdưới áp suất ở nhiệt độ cao. Khi yêu cầu về khả năng ngăn chặn áp suất và-tuổi thọ dài hạn ở nhiệt độ 700–900 độ thì dòng 800 luôn hoạt động tốt hơn 310S. ^[7]

Đúng. Sự kết hợp giữa thang đo Cr₂O₃ / Al₂O₃ bảo vệ và hàm lượng cacbon cao hơn (giúp-bão hòa trước nền để chống lại sự xâm nhập của cacbon hơn nữa) mang lại khả năng chống cacbon hóa tốt hơn 800H/HT so với thép austenit niken- thấp hơn. Tuy nhiên, trong môi trường cacbon hóa khắc nghiệt trên 950 độ, các hợp kim có hàm lượng niken cao hơn như Incoloy 803 hoặc Inconel 601 có thể được ưu tiên hơn. ^[5,6]

Về cơ bản, cả ba loại đều có chung các đặc tính vật lý: mật độ ≈ 7,94 g/cm³ (0,287 lb/in³), hệ số giãn nở nhiệt trung bình từ 20 độ đến 700 độ ≈ 16,0 × 10⁻⁶ / độ (8,9 × 10⁻⁶ / độ F) và độ dẫn nhiệt ở 700 độ ≈ 18,0 W/(m·K). Các đặc tính vật lý được chia sẻ này giúp đơn giản hóa việc phân tích ứng suất khi nâng cấp từ loại này lên loại khác. ^[7]

Danh sách kiểm tra mua sắm

Khi đặt hàng các sản phẩm dành cho gia đình Incoloy 800-, hãy nêu rõ những điều sau trong đơn đặt hàng của bạn để tránh nhận được tài liệu không phù hợp:

Số UNS:N08800 (800), N08810 (800H) hoặc N08811 (800HT). Đừng chỉ dựa vào tên thương mại.

Tiêu chuẩn và cấp độ của ASTM:ví dụ: ASTM B409, Lớp UNS N08811.

Chứng nhận kích thước hạt:Đối với 800H và 800HT, hãy yêu cầu bằng chứng tài liệu về ASTM No{2}} hoặc thô hơn theo tiêu chuẩn ASTM E112.

Hàm lượng cacbon (MTR):Xác minh rằng lượng cacbon được chứng nhận nằm trong phạm vi-cụ thể về cấp độ, đặc biệt là mức tối thiểu 0,05% trọng lượng đối với 800H và 0,06% trọng lượng đối với 800HT.

Al + Ti Sum:Đối với 800HT, xác nhận Al + Ti Lớn hơn hoặc bằng 0,85% trọng lượng trong báo cáo thử nghiệm của nhà máy.

Điều kiện xử lý nhiệt:Xác nhận giải pháp-điều kiện ủ (1120–1180 độ cho 800H/HT) để đảm bảo các thuộc tính leo-tuân thủ mã.

Thanh tra bên thứ ba-:Đối với dịch vụ quan trọng (bình chịu áp lực, ống cải cách), hãy chỉ định-sự kiểm tra của bên thứ ba đối với các yêu cầu ASME hoặc EN.

Chứng nhận kép (nếu được yêu cầu):Yêu cầu rõ ràng chứng nhận kép N{0}}N08811 nếu cần để linh hoạt trong hoạt động mua sắm.

Phần kết luận

Dòng Incoloy 800-800, 800H và 800HT-chiếm một vị trí quan trọng trong kỹ thuật hợp kim nhiệt độ cao. Ba loại này bề ngoài giống nhau nhưng được thiết kế cho các nhiệm vụ nhiệt khác nhau về cơ bản. Để tóm tắt:

Incoloy 800 (UNS N08800):lên đến 593 độ. Chi phí-hiệu quả đối với dịch vụ bộ phận trao đổi nhiệt-và bộ phận làm nóng-nhiệt độ vừa phải.

Incoloy 800H (UNS N08810):lên tới 899 độ. Tiêu chuẩn dành cho bộ siêu nhiệt HRSG, máy nghiền ethylene và đường ống đầu ra của bộ cải cách. Tuổi thọ của Creep xấp xỉ gấp đôi so với 800.

Incoloy 800HT (UNS N08811):lên đến 982 độ. Loại cao cấp dành cho cuộn dây cải cách bức xạ và dịch vụ lò nung nhiệt độ cao-liên tục. Tuổi thọ của leo gấp ba đến bốn lần so với 800.

Việc chọn đúng loại ở giai đoạn thiết kế không tốn kém gì. Việc thay thế-các ống được chỉ định trong lò đang vận hành hoặc lò phản ứng tiêu tốn hàng chục triệu đô la về thời gian ngừng hoạt động của nhà máy, nhân công sửa chữa và tổn thất sản xuất. Thông tin trong hướng dẫn này-dựa trên các tiêu chuẩn ASTM, giới hạn mã ASME và dữ liệu luyện kim đã công bố-cung cấp nền tảng kỹ thuật để đưa ra lựa chọn đó một cách chính xác ngay lần đầu tiên.

Liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi: Chúng tôi cung cấp Incoloy 800, 800H và 800HT được chứng nhận ở dạng tấm, tấm, ống liền mạch, ống hàn, ống, thanh và dạng dải. Tất cả vật liệu đều được kèm theo báo cáo thử nghiệm đầy đủ của nhà máy và giấy chứng nhận kiểm tra của bên thứ ba-theo yêu cầu. Liên hệ với nhóm bán hàng kỹ thuật của chúng tôi để thảo luận về các yêu cầu ứng dụng của bạn.

Tài liệu tham khảo

[1] ASTM B409-22. Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho tấm, tấm và dải hợp kim niken{2}}sắt-crom. ASTM Quốc tế, Tây Conshohocken, PA, 2022.

[2] ASTM B514-22. Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho ống hợp kim niken hàn-sắt-crom. ASTM Quốc tế, 2022.

[3] EN 10217-7:2019. Ống thép hàn dùng cho mục đích chịu áp lực - Điều kiện giao hàng kỹ thuật - Phần 7: Ống thép không gỉ. Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu (CEN), Brussels, 2019.

[4] Lai, GY Cao-Ứng dụng vật liệu và ăn mòn nhiệt độ. ASM International, Materials Park, OH, 2007. Chương 8: Sắt-Niken-Hợp kim crom, pp. 221–248.

[5] Tổng công ty kim loại đặc biệt Bảng dữ liệu kỹ thuật Incoloy® Alloy 800H/800HT. Ấn phẩm SMC-047. Hợp kim Huntington, Huntington, WV, 2016.

[6] Norton, JF, biên tập. Ăn mòn vật liệu ở nhiệt độ cao trong khí quyển khí hóa than. Khoa học ứng dụng Elsevier, Luân Đôn, 1984. Chương về dữ liệu đứt gãy-của hợp kim 800H, pp. 105–130.

[7] Cẩm nang ASM, Tập 2: Thuộc tính và lựa chọn: Hợp kim màu và Vật liệu có mục đích đặc biệt. ASM International, 2020. Bảng về-Đặc tính kéo theo nhiệt độ cao của Niken và Sắt-Hợp kim Niken.

[8] Mã nồi hơi và bình áp suất ASME, Phần II, Phần D: Thuộc tính (Thông thường), Phiên bản 2023. ASME quốc tế, New York. Bảng 1A - Giá trị ứng suất cho phép đối với hợp kim màu.

[9] Ủy ban kỹ thuật sưởi ấm điện trở. Hướng dẫn lựa chọn hợp kim cho các bộ phận làm nóng bằng điện trở. Hiệp hội lò sưởi điện trở (ERHA), Cleveland, OH, 2019.

[10] Chuỗi báo cáo an toàn của IAEA số. 82. Tính toàn vẹn của bình áp lực lò phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân: Đánh giá tác động gây giòn do chiếu xạ. Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế, Vienna, 2009.

[11] DIN 17459:1992. Ống nhiệt tròn liền mạch-Hợp kim niken chịu nhiệt. Viện Deutsches für Normung (DIN), Berlin, 1992.

[12] AWS A5.14/A5.14M:2018. Thông số kỹ thuật dành cho que và điện cực hàn trần bằng hợp kim Niken và Niken-. Hiệp hội hàn Hoa Kỳ, Miami, FL, 2018.