Ryðfrítt stál 310S í jarðolíuofnarörum: Hönnun fyrir 1100 gráðu þjónustu

• 310S (UNS S31008) er iðnaðar-staðlað austenítískt ryðfrítt stál fyrir jarðolíuofnrör sem er metið til 1100 gráðu stöðugrar þjónustu.

• 25% Cr / 20% Ni samsetning þess myndar þéttan, sjálf-viðgerða Cr₂O₃ oxíðhleif sem hindrar inngöngu súrefnis og brennisteins.

• Veggþykkt verður að vera reiknuð samkvæmt API 530 skriðreglum- þegar málmhiti fer yfir 900 gráður.

• Uppfærðu í 310H, HK40 eða Alloy 601 fyrir þjónustu yfir 1050 gráður eða í miklu kolefnis-/súlfíðandi andrúmslofti.

• Öll ofnrör í súrálsframleiðslu þurfa reglubundið UT skoðun samkvæmt API RP 573 á 2–4 ára fresti.

310S lykilfæribreytur

Heimildir: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM Handbook Vol. 2 - Eiginleikar og úrval: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials; EN 10216-5; framleiðendavottaðar prófunarskýrslur.
 

Inngangur

Jarðolíuofnrör eru meðal varma krefjandi íhlutanna í hvaða vinnslustöð sem er. Kveiktir hitarar í hráeimingu, naftabreytingu og etýlensprungu útsetja rörmálm reglulega fyrir hitastigi á milli 800 gráður og 1100 gráður á meðan þeir flytja kolvetnisvökva undir þrýstingi. Val á röngum málmblöndu leiðir til hraðari oxunar, skriðbilunar eða skelfilegra rörabrots - sem valda, atvikum, eldsvoða, eldsvoða og eldsvoða og sprengingar.

Ef valið er of-tilgreint álfelgur sóar fjármagni að óþörfu. 310S situr á besta stað fyrir þetta hitastig: það býður upp á nægilegt oxunarþol allt að 1100 gráður, ásættanlegan skriðstyrk, framúrskarandi suðuhæfni og efniskostnað langt undir nikkel-ofurblendi.

Þessi leiðarvísir útskýrirhvað 310S er, hvers vegna það virkar við 1100 gráður, hvernig á að hanna með því og hvenær á að velja val.Gagnatöflur eru fengnar úr alþjóðlega viðurkenndum stöðlum og ritrýndum-bókmenntum til að styðja við verkfræðilegar ákvarðanir.

Hvað er ryðfríu stáli 310S?

Efnasamsetning

310S er há-blendi austenítískt (andlits-miðað kúbik) ryðfríu stáli. Einkenni þess er óvenju hátt króm- og nikkelinnihald miðað við algengar einkunnir eins og 304 eða 316. Tafla 2.1 sýnir samsetningarmörk samkvæmt ASTM A240 og ASME SA-240.

Tafla 2.1 - Efnasamsetning 310S (UNS S31008). Heimild: ASTM A240 / ASME SA-240, Tafla 1; ASTM A213 / ASME SA-213, tafla 1.

Af hverju 25% króm og 20% ​​nikkel?

Króm (Cr):Við styrk yfir ~20 wt% hvarfast króm helst við súrefni til að mynda þunnt, viðloðandi og sjálfgerandi krómoxíð (Cr₂O₃) á stályfirborðinu. Þessi kvarði virkar sem dreifingarhindrun og hægir verulega á frekari oxun. Með 24–26% Cr myndar 310S sterkan mælikvarða sem heldur áfram að vernda allt að um það bil 1150 gráður í hreinu oxandi andrúmslofti.

Nikkel (Ni):Nikkel kemur stöðugleika á andlits-miðjuða kúbika (austenít) kristalbyggingu við öll hitastig niður í frost. Þetta kemur í veg fyrir brothætta líkama-miðaða kúbika (martensít) umbreytingu sem annars myndi eiga sér stað í há-Cr ferrítstáli. Nikkel bætir einnig viðnám gegn kolefnismyndun - sem er mikilvægt áhyggjuefni í umbóta- og sprunguofnum þar sem kolvetnisgufur eru til staðar.

Lítið kolefni (minna en eða jafnt og 0,08%):„S“ merkingin í 310S stendur fyrir „low carbon“. Takmörkun kolefnis við að hámarki 0,08 wt% bælir karbíðútfellingu (næmingu) á hita-svæðinu sem verður fyrir áhrifum við suðu, varðveitir tæringarþol og sveigjanleika. Þetta er sérstaklega mikilvægt fyrir vettvangs-soðnar rörsamskeyti í ofnasmíði.

Vélrænir eiginleikar fyrir háan-hita

Verkfræði ofnrör krefst þess að þú skiljir hvernig310S stálhegðar sér við hærra hitastig - ekki bara við stofuhita. Tveir bilunarhamir eru ráðandi við hitastig yfir 800 gráður: (a) oxun/tæring á rörveggnum og (b) skriðbrot við viðvarandi þrýstingsálag.

Tog- og skriðgögn við hækkuðu hitastig

Tafla 3.1 tekur saman gögn um hækkað-hitastig og gögn um skrið-rof fyrir 310S. Toggildin eru dæmigerð gögn úr ASM Handbook og prófunarskýrslum framleiðanda. Skrið-rofspenna táknar þá spennu sem þarf til að valda rofi við uppgefið hitastig á tilteknu tímabili.

Tafla 3.1 - Hækkað-meðalrænt hitastig og skrið-rof eiginleika 310S (UNS S31008). Heimildir: ASM Handbook Vol. 2 (2. útgáfa); ASME BPVC Hluti II D-hluti (3. kafli, Tafla 1-100); framleiðandi gaf út gagnablöð um háhita. Gildi eru dæmigerð; nota ASME leyfilegt álag fyrir kóðaútreikninga.

Hvað þýðir 'Líður' fyrir ofnrörverkfræðing?

Skrið er hæg, varanleg aflögun málms undir viðvarandi álagi við háan hita -, jafnvel þegar álagið er langt undir hefðbundnum flæðistyrk. Fyrir ofnrör kemur skrið fram sem hægfara þynning á veggjum ("bungu") og að lokum rof ef farið er yfir hönnunarlífið. Við 1100 gráður heldur 310S aðeins um 2–3 MPa skrið-sprunguspennu í 10.000 klukkustunda hönnunarlíf.

Þetta þýðir að ofnrör sem starfa við 1100 gráður verða að vera hönnuð með mjög lágum innri þrýstingi, þunnum veggjum eða stuttu þjónustutímabili. API 530 veitir verkfræðilega ramma til að reikna út leyfilega rörþykkt í þessu fyrirkomulagi.

Oxunar- og tæringarþol við 1100 gráður

Oxunarviðnámskerfi

Þegar 310S er fyrst útsett fyrir oxandi umhverfi með háum-hita dreifist króm til yfirborðsins og oxast sértækt og myndar þunnt (1–5 μm) og viðloðandi Cr₂O₃ lag. Þegar það hefur verið komið á, vex þetta lag parabollulega - sem þýðir að vaxtarhraðinn minnkar með tímanum þar sem oxíðlagið sjálft verður dreifingarhindrun. Niðurstaðan er efni sem oxast hægt í mörg ár við stöðugar rekstraraðstæður.

Lykiloxunargögn (heimild: Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S gagnablað; ASM Handbook Vol. 13C):

• Stöðug þjónusta í þurru lofti: allt að 1100 gráður (sumar heimildir vitna í 1150 gráður fyrir hreint andrúmsloft).

• Stöðug (hringlaga) þjónusta: takmörkuð við 1050 gráður vegna þess að endurtekin hitauppstreymi veldur því að hlífðaroxíðhúðin losnar.

• Hámarks hitastig fyrir vægar hjólreiðar: 1050 gráður, með stýrðum rampahraða undir 200 gráðum/klst.

• Í andrúmslofti með > 2 g/m³ brennisteinsinnihald: efri mörk lækka í ~1000 gráður (Industeel SIRIUS 310S gagnablað).

Uppkolunar- og brennisteinsþol

Fyrir utan einfalda oxun, inniheldur jarðolíuofna umhverfi oft kolefnisríkar lofttegundir (CO, CH₄, C₂H₄) og brennisteinssambönd (H₂S, SO₂). Þessir ráðast á ryðfríu stáli með mismunandi aðferðum:

Carburization:Carbon diffuses into the steel, forming chromium carbides that deplete the matrix of the chromium needed for oxidation protection. 310S offers moderate carburization resistance due to its high Cr and Ni content, but it is not immune - particularly in strongly reducing, high-carbon-activity environments such as steam reformer furnaces. In such service, HK40 or Alloy 601 (with >20% Cr + álviðbót) er æskilegt.

Sulfidation:Brennisteinssambönd hvarfast við króm og nikkel til að mynda lág-bráðnandi súlfíðfasa sem geta komist í gegnum oxíðskalann. 310S höndlar lágt-brennisteinsumhverfi (< 50 ppm H₂S) adequately up to about 1000 °C; in heavily sulfidizing service, higher-chromium cast alloys (HK40, HP-Modified) or alumina-forming alloys are specified.

Efnissamanburður: 310S vs samkeppnisblöndur

Ekki þarf 310S í hverri notkun á ofnrörum. Í töflu 5.1 er 310S borið saman við fimm almennt tilgreinda valkosti þvert á stærðir sem skipta máli fyrir jarðolíuverkfræðinga.

Tafla 5.1 - Samanburður á álfelgur fyrir þjónustu úr jarðolíuofnum. ★ einkunnir eru eigindleg mat byggð á birtum oxunar- og tæringargögnum. Heimildir: ASM Handbook Vol. 13C - Tæring: Umhverfi og iðnaður; Special Metals Corporation (Alloy 800H, Alloy 601 tækniblöð); ASTM alþjóðlegir staðlar; tækniblað framleiðanda. Kostnaðarmat er afstætt og markaðs-háð.

310S vs. 310H: Hvenær á að velja hvaða?

Þetta er algengasta spurningin í forskrift ofnröra.Svarið er einfalt: notaðu 310S þegar suðuhæfni og viðnám gegn næmni eru aðal áhyggjuefni (td skipti á -suðu rör); notaðu 310H þegar hámarks skriðstyrks er krafist og suðu fer fram við stýrðar aðstæður í verkstæði.

310H (UNS S31009) hefur kolefnisinnihald sem er 0,04–0,10 % - hærra en 310S. Þetta viðbótarkolefni gefur fasta-lausn og karbíðstyrkingu sem bætir skriðþol um u.þ.b. 20–30% við 900–1000 gráður. Viðskiptin- eru meiri hætta á karbíðútfellingu á hita-svæðinu við suðu (næmingu). Af þessum sökum krefst 310H suðu venjulega strangari forhitunar- og PWHT-stýringar.

Algengar spurningar (algengar spurningar)

Eftirfarandi spurningar eru unnar úr verkfræðiráðgjöf og tákna algengustu fyrirspurnirnar um 310S í jarðolíuofnröraþjónustu.

Q1: Hvert er hámarks þjónustuhitastig fyrir 310S ryðfríu stáli?

Hámarks samfelldur þjónustuhiti fyrir 310S (UNS S31008) í lofti er1100 gráður (2012 gráður F). For intermittent (cyclic) service, the recommended limit is 1050 °C (1922 °F) due to the risk of oxide scale spallation during thermal cycling. In sulfur-containing atmospheres (>2 g/m³), mörkin falla niður í ~1000 gráður. Þessi mörk eru byggð á oxunarprófunargögnum sem gefin eru út af Industeel ArcelorMittal og álframleiðendum iðnaðarins.

Q2: Er hægt að nota 310S yfir 1100 gráður?

Stutt svar: nei, ekki fyrir viðvarandi þjónustu.Yfir 1100 gráður byrjar Cr₂O₃ hlífðarkvarðinn að breytast í rokgjörn CrO₃ í oxandi umhverfi og missir verndandi virkni sína hratt. Skriðhraði verður líka óraunverulega hár (rofa líf í þúsundir klukkustunda frekar en tugþúsundir). Fyrir þjónustu yfir 1100 gráður skal tilgreina Alloy 601 (súrál-myndandi), Alloy 602CA eða keramik-fóðrað kerfi.

Q3: Hvaða staðall stjórnar þykkt 310S ofnröra í hreinsunarstöð?

API staðall 530("Calculation of Heater-Tube Thickness in Petroleum Refineries," 7. útgáfa) er aðal staðallinn. Það skilgreinir leyfilegt álag fyrir 310S bæði í teygju- og skriðhringnum-. Fyrir skrið-takmörkuð skilyrði (rörmálmhitastig > 900 gráður), gefur API 530 viðauki C nauðsynlega tíma-hitabrotsferla. ASME BPVC Hluti II Hluti D gefur upp undirliggjandi leyfileg streitugildi sem notuð eru í API 530 útreikningum.

Q4: Hver er munurinn á 310S og 310H fyrir ofnrör?

310S (UNS S31008):Kolefni Minna en eða jafnt og 0,08%. Ákjósanlegt þegar suðuhæfni, viðnám gegn næmingu og auðveld suðu er forgangsverkefni. Örlítið lægri skriðstyrkur en 310H.

310H (UNS S31009):Kolefni 0,04–0,10%. Valið þegar hámarks skriðstyrks er krafist (td háþrýstingsgeislunarrör,-háþrýstingur, langar spennur). Suðu krefst strangara eftirlits. Báðar einkunnir deila sama Cr og Ni innihaldi.

Endanleg niðurstaða:Tilgreindu 310S sem sjálfgefið; uppfærðu aðeins í 310H þegar útreikningur á skriðlífi sýnir ófullnægjandi framlegð sem eftir er með 310S.

Q5: Þarf 310S eftir-suðuhitameðferð (PWHT)?

Nei - PWHT er almennt ekki krafist fyrir 310S og er hugsanlega skaðlegt. Upphitun 310S á bilinu 600–900 gráður meðan á PWHT stendur getur valdið brothættum sigma fasa og krómkarbíðum. Eins og-soðið ástand er venjulega ásættanlegt fyrir flesta jarðolíuþjónustu. Ef brýna nauðsyn er til að draga úr spennuafgangi (td alvarlegt hringlaga hitauppstreymi), ráðfærðu þig við suðumálmfræðing áður en þú beitir hitameðferð.

Q6: Hverjir eru gildandi ASTM staðlar til að útvega 310S ofnrör?

Aðal ASTM staðlar eru: ASTM A213 / ASME SA-213 (óaðfinnanlegur rör fyrir katla og varmaskipti) fyrir gráðu TP310S, og ASTM A249 / ASME SA-249 (soðin rör) fyrir gráðu TP310S. Fyrir tengdar lagnir gildir ASTM A312 / ASME SA-312 (Gráða TP310S). Allt efni sem aflað er fyrir ASME kóða byggingu verður að innihalda Mill Test Report (MTR) samkvæmt ASTM A450 (almennar kröfur um rör) með fullri efnagreiningu og vélrænni prófunarniðurstöðu.

Q7: Hversu oft ætti að skoða 310S ofnrör í hreinsunarþjónustu?

API RP 573("Skoðun á kveiktum kötlum og hitara") mælir með ytri sjón- og UT-þykktarskoðun á lágmarkstíðni á 2–4 ára fresti, eða við hverja fyrirhugaða viðhaldsviðsnúning - hvort sem kemur á undan. Slöngur sem starfa stöðugt yfir 950 gráður, eða í ætandi andrúmslofti, ætti að skoða oftar. Eftirstandandi-lífsmat með því að nota API 530 Larson-Miller nálgun ætti að uppfæra við hverja skoðun á grundvelli raunverulegrar hitastigssögu frá rekstrarskrám og gagnasagnfræðingum.