• 310S (UNS S31008), petrokimya fırın tüpleri için-1100 derece sürekli hizmete uygun endüstri standardı östenitik paslanmaz çeliktir.
• %25 Cr / %20 Ni bileşimi, oksijen ve kükürt girişini engelleyen yoğun, kendi kendini-onarabilen bir Cr₂O₃ oksit tabakası oluşturur.
• Metal sıcaklığı 900 dereceyi aştığında duvar kalınlığı API 530 sürünme-kopma kurallarına göre hesaplanmalıdır.
• 1050 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda veya ağır karbürleme/sülfitleme atmosferlerinde servis için 310H, HK40 veya Alloy 601'e yükseltin.
• Rafineri hizmetindeki tüm fırın tüpleri, her 2-4 yılda bir API RP 573 uyarınca periyodik UT muayenesi gerektirir.
310S Temel Parametreler
| Anahtar Parametre | Değer / Spesifikasyon |
| Alaşım Tanımı | UNS S31008 / AISI 310S / EN 1.4845 |
| Krom İçeriği | ağırlıkça %24,0 – 26,0 |
| Nikel İçeriği | ağırlıkça %19,0 – 22,0 |
| Maksimum Sürekli Servis Sıcaklığı | Havada 1100 derece (2012 derece F) |
| Maksimum Aralıklı Servis Sıcaklığı | Bisiklet hizmetinde 1050 derece (1922 derece F) |
| Oksidasyon Direnci Sınırı | 1150 dereceye kadar (hafif oksitleyici atmosfer) |
| Birincil Yönetim Standardı | ASTM A213 / ASME SA-213 (dikişsiz borular) |
| Minimum Çekme Dayanımı (RT) | 515 MPa'dan (74,8 ksi) büyük veya ona eşit |
| Minimum Akma Dayanımı (RT) | 205 MPa'dan (29,7 ksi) büyük veya ona eşit |
| Min. Uzama (RT) | %35'ten büyük veya eşit |
| Oda-Sıcaklık Sertliği | 187 HBW'den az veya ona eşit |
| Yoğunluk | 7,90 gr/cm³ |
| Isı İletkenliği (20 derece) | 15.9 W/(m·K) |
| Termal Genleşme Katsayısı | 16,0 × 10⁻⁶ / derece (20–1000 derece) |
Kaynaklar: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM El Kitabı Cilt. 2 - Özellikler ve Seçimi: Demir Dışı Alaşımlar ve Özel Amaçlı Malzemeler; EN 10216-5; üretici sertifikalı değirmen test raporları.
giriiş
Petrokimya fırın boruları, herhangi bir proses tesisinde termal açıdan en zorlu bileşenler arasındadır. Ham damıtma, nafta reformasyonu ve etilen parçalama işlemlerindeki ateşlemeli ısıtıcılar, basınç altında hidrokarbon sıvıları taşırken boru metalini rutin olarak 800 derece ila 1100 derece arasındaki sıcaklıklara maruz bırakır. Yanlış alaşımın seçilmesi, ünitenin kapanmasına, çevresel olaylara ve en kötü durumlarda yangınlara ve patlamalara neden olan hızlandırılmış oksidasyona, sürünme başarısızlığına veya yıkıcı tüp yırtılmasına - yol açar.
Belirtilenden fazla-alaşım seçmek sermayeyi gereksiz yere israf eder. 310S, bu sıcaklık aralığı için en uygun noktada yer alır: 1100 dereceye kadar yeterli oksidasyon direnci, kabul edilebilir sürünme mukavemeti, mükemmel kaynaklanabilirlik ve nikel-bazlı süper alaşımların çok altında bir malzeme maliyeti sunar.
Bu kılavuzda şunlar açıklanmaktadır:310S nedir, neden 1100 derecede çalışır, nasıl tasarım yapılır, ne zaman alternatif seçilir?Veri tabloları, mühendislik kararlarını desteklemek amacıyla uluslararası kabul görmüş standartlardan ve hakemli- literatürden alınmıştır.
Paslanmaz Çelik 310S Nedir?
Kimyasal Bileşim
310S yüksek-alaşımlı östenitik (yüzey-merkezli kübik) paslanmaz çeliktir. Tanımlayıcı özelliği, 304 veya 316 gibi yaygın kalitelerle karşılaştırıldığında alışılmadık derecede yüksek krom ve nikel içeriğidir. Tablo 2.1, ASTM A240 ve ASME SA-240'a göre bileşim sınırlarını göstermektedir.
| Öğe | C | Mn | Si | P | S | CR | Ni |
| Maksimum / Aralık (ağırlıkça%) | 0,08'den küçük veya eşit | 2,00'dan küçük veya eşit | 1,50'den küçük veya ona eşit | 0,045'ten küçük veya ona eşit | 0,030'dan küçük veya ona eşit | 24.0–26.0 | 19.0–22.0 |
Tablo 2.1 - 310S'nin (UNS S31008) kimyasal bileşimi. Kaynak: ASTM A240 / ASME SA-240, Tablo 1; ASTM A213 / ASME SA-213, Tablo 1.
Neden %25 Krom ve %20 Nikel?
Krom (Cr):Ağırlıkça ~%20'nin üzerindeki konsantrasyonlarda krom, çelik yüzey üzerinde ince, yapışkan ve kendi kendini-onarabilen bir krom oksit (Cr₂O₃) tabakası oluşturmak için tercihen oksijenle reaksiyona girer. Bu ölçek bir difüzyon bariyeri görevi görerek daha fazla oksidasyonu önemli ölçüde yavaşlatır. %24–26 Cr ile 310S, temiz oksitleyici atmosferlerde yaklaşık 1150 dereceye kadar koruyucu kalan sağlam bir ölçek oluşturur.
Nikel (Ni):Nikel, yüzey merkezli kübik (östenit) kristal yapısını kriyojenik sıcaklığa kadar tüm sıcaklıklarda stabilize eder. Bu, aksi durumda yüksek-Cr'li ferritik çeliklerde meydana gelebilecek kırılgan gövde-merkezli kübik (martenzit) dönüşümünü önler. Nikel aynı zamanda hidrokarbon buharlarının mevcut olduğu reformer ve kırma fırınlarında kritik bir sorun olan karbürizasyona karşı direnci de artırır -.
Düşük Karbon (%0,08'den az veya eşit):310S'deki 'S' tanımı 'düşük karbon' anlamına gelir. Karbonun ağırlıkça maksimum %0,08 ile sınırlandırılması, kaynak sırasında ısıdan- etkilenen bölgede karbür çökelmesini (hassaslaşma) bastırarak korozyon direncini ve sünekliği korur. Bu özellikle fırın yapımında sahada-kaynaklı boru bağlantıları için önemlidir.
Yüksek-Sıcaklık Mekanik Özellikleri
Bir fırın borusunun tasarlanması, nasıl yapılacağının anlaşılmasını gerektirir310S çelikyalnızca oda sıcaklığında değil, yüksek sıcaklıklarda da davranır -. 800 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda iki arıza modu hakimdir: (a) tüp duvarının oksidasyonu/korozyonu ve (b) sürekli basınç yükü altında sürünme kopması.
Yüksek Sıcaklıklarda Çekme ve Sürünme Verileri
Tablo 3.1, 310S için yükseltilmiş-sıcaklık mekanik özelliklerini ve sürünme-kopma verilerini özetlemektedir. Çekme değerleri, ASM El Kitabından ve üretici test raporlarından alınan temsili verilerdir. Sürünme-kopma gerilimleri, belirli bir zaman diliminde belirtilen sıcaklıkta kopmaya neden olmak için gereken gerilimi temsil eder.
| Sıcaklık | Çekme Dayanımı (MPa) | %0,2 Akma Dayanımı (MPa) | Uzama (%) | Sürünme Kopma Gerilimi 100 saat (MPa) | Sürünme Kopma Stresi 10.000 saat (MPa) |
| Oda Sıcaklığı (20 derece) | 515'ten büyük veya eşit | 205'ten büyük veya eşit | 35'ten büyük veya eşit | - | - |
| 600 derece (1112 derece F) | ~330 | ~175 | ~40 | - | - |
| 700 derece (1292 derece F) | ~270 | ~155 | ~42 | ~70 | ~40 |
| 800 derece (1472 derece F) | ~190 | ~120 | ~45 | ~38 | ~18 |
| 900 derece (1652 derece F) | ~110 | ~85 | ~50 | ~16 | ~6 |
| 1000 derece (1832 derece F) | ~60 | ~50 | ~55 | ~7 | ~2 |
| 1100 derece (2012 derece F) | ~32 | ~28 | ~60 | ~2.5 | < 1 |
310S'nin (UNS S31008) Tablo 3.1 - Yüksek-sıcaklık, mekanik ve sürünme-kopma özellikleri. Kaynaklar: ASM Handbook Cilt. 2 (2. baskı); ASME BPVC Bölüm II Bölüm D (Alt Bölüm 3, Tablo 1-100); Üretici yüksek sıcaklık veri sayfalarını yayınladı. Değerler temsilidir; Kod hesaplamaları için ASME'nin izin verdiği gerilimleri kullanın.
Bir Fırın Boru Mühendisi için 'Sürünme' Ne Anlama Geliyor?
Sürünme, gerilim geleneksel akma dayanımının çok altında olsa bile, yüksek sıcaklıkta - sürekli gerilim altında bir metalin yavaş, kalıcı deformasyonudur. Bir fırın tüpü için sürünme, duvarın kademeli olarak incelmesi ("şişkinleşme") ve tasarım ömrünün aşılması durumunda sonuçta kopma olarak kendini gösterir. 1100 derecede, 310S, 10.000 saatlik tasarım ömrü boyunca yalnızca yaklaşık 2–3 MPa sürünme-kopma gerilimini korur.
Bu, 1100 derecede çalışan fırın tüplerinin çok düşük iç basınçla, ince duvarlarla veya kısa servis aralıklarıyla tasarlanması gerektiği anlamına gelir. API 530, bu rejimde izin verilen boru kalınlığının hesaplanmasına yönelik mühendislik çerçevesini sağlar.
1100 Derecede Oksidasyon ve Korozyon Direnci
Oksidasyon Direnç Mekanizması
310S ilk kez yüksek-sıcaklıktaki oksitleyici ortama maruz bırakıldığında, krom yüzeye yayılır ve seçici olarak oksitlenerek ince (1–5 μm) ve yapışkan bir Cr₂O₃ tabakası oluşturur. Bu katman bir kez oluşturulduktan sonra parabolik olarak - büyür; bu, oksit katmanının kendisi bir difüzyon bariyeri haline geldikçe büyüme oranının zamanla azaldığı anlamına gelir. Sonuç, sabit çalışma koşulları altında yıllarca yavaş yavaş oksitlenen bir malzemedir.
Anahtar oksidasyon verileri (kaynak: Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S veri sayfası; ASM Handbook Cilt. 13C):
• Kuru havada sürekli hizmet: 1100 dereceye kadar (bazı kaynaklar temiz atmosferler için 1150 dereceyi belirtir).
• Aralıklı (döngüsel) servis: 1050 dereceyle sınırlandırın çünkü tekrarlanan termal döngü, koruyucu oksit tabakasının parçalanmasına neden olur.
• Hafif döngü koşulları için maksimum döngüsel sıcaklık: 1050 derece, kontrollü rampa hızları 200 derece/saatin altında.
• Kükürt içeriği > 2 g/m³ olan atmosferlerde: üst sınır ~1000 dereceye kadar düşer (Industeel SIRIUS 310S veri sayfası).
Karbürizasyon ve Sülfidasyon Direnci
Basit oksidasyonun ötesinde, petrokimya fırın ortamları genellikle karbonlu gazlar (CO, CH₄, C₂H₄) ve kükürt bileşikleri (H₂S, SO₂) içerir. Bunlar paslanmaz çeliklere farklı mekanizmalarla saldırır:
Karbürizasyon: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 + alüminyum ilavesi) tercih edilir.
Sülfidasyon:Sülfür bileşikleri krom ve nikel ile reaksiyona girerek oksit tabakasına nüfuz edebilen düşük-erime noktalı sülfür fazlar oluşturur. 310S, düşük-kükürtlü ortamları işler (< 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.
Malzeme Karşılaştırması: 310S ve Rakip Alaşımlar
Her fırın tüpü uygulaması 310S gerektirmez. Tablo 5.1, petrokimya mühendisleri için önemli olan boyutlara göre 310S'yi yaygın olarak belirtilen beş alternatifle karşılaştırmaktadır.
| Mülk | 310S (UNS S31008) | 310H (UNS S31009) | 321H (UNS S32109) | HK40 (UNS J94204) | Alaşım 800H (UNS N08810) | Alaşım 601 (UNS N06601) |
| Cr (ağırlıkça%) | 24–26 | 24–26 | 17–19 | 26–30 | 19–23 | 21–25 |
| Ni (ağırlıkça%) | 19–22 | 19–22 | 9–12 | 19–22 | 30–35 | 58–63 |
| C (maks, ağırlıkça %) | 0.08 | 0.04–0.10 | 0.08 | 0.35–0.45 | 0.10 | 0.10 |
| Maks. Devam Sıcaklık ( derece ) | 1100 | 1150 | 925 | 1150 | 1100 | 1200 |
| Oksidasyon Direnci | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Karbürizasyon Direnci. | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Sürünme Gücü @ 1000 derece | Ilıman | İyi | Düşük | Yüksek | İyi | Harika |
| Kaynaklanabilirlik | Harika | İyi | İyi | Zor | İyi | İyi |
| Göreceli Malzeme Maliyeti | Düşük | Düşük | Orta | Orta | Yüksek | Çok Yüksek |
| Tipik Uygulama | Fırın tüpleri, radyant tüpler | Sürünme-kritik fırın parçaları | Kazan boruları (925 dereceden küçük veya eşit) | Buhar reformasyon tüpleri | Piroliz/kırma bobinleri | Aşırı oksitleme hizmeti |
Tablo 5.1 - Petrokimya fırın tüpü hizmeti için alaşım karşılaştırması. ★ derecelendirmeleri yayınlanmış oksidasyon ve korozyon verilerine dayanan niteliksel değerlendirmelerdir. Kaynaklar: ASM El Kitabı Cilt. 13C - Korozyon: Ortamlar ve Endüstriler; Special Metals Corporation (Alloy 800H, Alloy 601 teknik bültenleri); ASTM Uluslararası standartları; üreticinin teknik veri sayfaları. Maliyet derecelendirmeleri görecelidir ve pazara-bağlıdır.
310S ve. 310H: Hangisini Ne Zaman Seçmeli?
Bu, fırın tüpü spesifikasyonunda en sık sorulan sorudur.Cevap basit: kaynaklanabilirlik ve duyarlılığa karşı direnç öncelikli konular olduğunda 310S kullanın (örneğin, saha-kaynaklı boru değiştirmeler); Maksimum sürünme mukavemeti gerektiğinde ve kaynak kontrollü atölye koşullarında yapıldığında 310H kullanın.
310H (UNS S31009), 310S'den %0,04–0,10 - daha yüksek bir karbon içeriğine sahiptir. Bu ilave karbon, katı-çözeltisi ve karbür güçlendirmesi sağlayarak 900–1000 derecede sürünme direncini kabaca %20–30 oranında artırır. Bunun karşılığında-kaynak sırasında ısıdan etkilenen bölgede karbür çökelmesi riskinin daha yüksek olması (hassaslaşma) söz konusudur. Bu nedenle 310H kaynağı genellikle daha sıkı ön ısıtma ve PWHT kontrolleri gerektirir.
Sıkça Sorulan Sorular (SSS)
Aşağıdaki sorular mühendislik istişarelerinden alınmıştır ve petrokimya fırın tüpü hizmetinde 310S ile ilgili en yaygın soruları temsil etmektedir.
S1: 310S paslanmaz çelik için maksimum servis sıcaklığı nedir?
Havada 310S (UNS S31008) için maksimum sürekli servis sıcaklığı:1100 derece (2012 derece 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), sınır ~1000 dereceye düşer. Bu sınırlar, Industeel ArcelorMittal ve endüstri alaşım üreticileri tarafından yayınlanan oksidasyon testi verilerine dayanmaktadır.
S2: 310S 1100 derecenin üzerinde kullanılabilir mi?
Kısa cevap: hayır, sürekli hizmet için değil.1100 derecenin üzerinde Cr₂O₃ koruyucu kireç oksitleyici ortamlarda uçucu CrO₃'ya dönüşmeye başlar ve koruyucu işlevini hızla kaybeder. Sürünme oranları da uygulanamayacak kadar yüksek hale gelir (kırılma ömrü onbinler yerine binlerce saat sürer). 1100 derecenin üzerindeki servis için Alaşım 601 (alümina-oluşturan), Alaşım 602CA veya seramik-kaplı sistem belirtin.
S3: Bir rafineride 310S fırın borusu kalınlığı tasarımını hangi standart yönetir?
API Standardı 530("Petrol Rafinerilerinde Isıtıcı-Boru Kalınlığının Hesaplanması", 7. baskı) birincil standarttır. Hem elastik hem de sürünme-kopma rejimlerinde 310S için izin verilen gerilimleri tanımlar. Sürünme-sınırlı koşullar için (tüp metal sıcaklığı > 900 derece), API 530 Ek C gerekli zaman-sıcaklık kopma eğrilerini sağlar. ASME BPVC Bölüm II Kısım D, API 530 hesaplamalarında kullanılan temel izin verilen gerilim değerlerini sağlar.
S4: Fırın tüpü uygulamaları için 310S ile 310H arasındaki fark nedir?
310S (UNS S31008):Karbon %0,08'e eşit veya daha az. Kaynaklanabilirlik, hassasiyete karşı dayanıklılık ve sahada kaynak kolaylığının öncelikli olduğu durumlarda tercih edilir. 310H'den biraz daha düşük sürünme mukavemeti.
310H (UNS S31009):Karbon %0,04–0,10. Maksimum sürünme mukavemetinin gerekli olduğu durumlarda seçilir (örneğin, yüksek-basınçlı radyant tüpler, uzun açıklıklar). Kaynak daha sıkı kontroller gerektirir. Her iki kalite de aynı Cr ve Ni içeriğini paylaşır.
Kesin sonuç:Varsayılan olarak 310S'yi belirtin; yalnızca sürünme ömrü hesaplaması 310S ile kalan marjın yetersiz olduğunu gösterdiğinde 310H'ye yükseltin.
S5: 310S,-kaynak sonrası ısıl işlem (PWHT) gerektirir mi?
Hayır - PWHT genellikle 310S için gerekli değildir ve potansiyel olarak zararlıdır. PWHT sırasında 310S'yi 600-900 derece aralığında ısıtmak, kırılgan sigma fazını ve krom karbürleri çökeltebilir. Kaynaklı-durum çoğu petrokimya hizmeti için genellikle kabul edilebilir. Artık gerilimin azaltılmasına kritik bir şekilde ihtiyaç duyuluyorsa (örneğin şiddetli döngüsel termal yükleme), herhangi bir ısıl işlem uygulamadan önce bir kaynak metalurji uzmanına danışın.
S6: 310S fırın tüplerinin tedariki için geçerli ASTM standartları nelerdir?
Başlıca ASTM standartları şunlardır: TP310S Sınıfı için ASTM A213 / ASME SA-213 (kazanlar ve ısı eşanjörleri için dikişsiz borular) ve TP310S Sınıfı için ASTM A249 / ASME SA-249 (kaynaklı borular). İlgili borular için ASTM A312 / ASME SA-312 geçerlidir (Sınıf TP310S). ASME Kodu inşaatı için tedarik edilen tüm malzemeler, tam kimyasal analiz ve mekanik test sonuçlarını içeren ASTM A450'ye (borular için genel gereksinimler) göre bir Değirmen Test Raporu (MTR) içermelidir.
S7: Rafineri hizmetinde 310S fırın boruları ne sıklıkla denetlenmelidir?
API RP 573("Yakılan Kazanların ve Isıtıcıların Muayenesi"), minimum 2-4 yılda bir veya her planlı bakım dönüşünde - hangisi önce gelirse, harici görsel ve UT kalınlığı muayenesini önerir. Sürekli olarak 950 derecenin üzerinde veya korozif ortamlarda çalışan tüpler daha sık kontrol edilmelidir. API 530 Larson-Miller yaklaşımını kullanan kalan-ömür değerlendirmeleri, çalışma günlüklerinden ve veri tarihçilerinden elde edilen gerçek sıcaklık geçmişine dayalı olarak her denetimde güncellenmelidir.
