• 310S (UNS S31008) je industrijski-standardni austenitni nehrđajući čelik za cijevi petrokemijskih peći ocijenjen za kontinuirani rad od 1100 stupnjeva.
• Njegov sastav od 25 % Cr / 20 % Ni stvara gustu,-samopopravljajuću naslagu Cr₂O₃ oksida koja blokira ulazak kisika i sumpora.
• Debljina stijenke mora se izračunati prema API 530 pravilima puzanja-pucanja kada temperatura metala prijeđe 900 stupnjeva.
• Za rad iznad 1050 stupnjeva ili u atmosferi teške karburizacije/sulfidizacije, nadogradite na 310H, HK40 ili Alloy 601.
• Sve cijevi peći u rafineriji zahtijevaju periodičnu UT inspekciju prema API RP 573 svake 2-4 godine.
Ključni parametri 310S
| Ključni parametar | Vrijednost / specifikacija |
| Oznaka legure | UNS S31008 / AISI 310S / EN 1.4845 |
| Chromium sadržaj | 24,0 – 26,0 % mase |
| Sadržaj nikla | 19,0 – 22,0 % mase |
| Maks. stalna radna temp. | 1100 stupnjeva (2012 stupanj F) u zraku |
| Maks. povremena radna temp. | 1050 stupnjeva (1922 stupnja F) u vožnji bicikla |
| Granica otpornosti na oksidaciju | Do 1150 stupnjeva (blaga oksidirajuća atmosfera) |
| Primarni upravljački standard | ASTM A213 / ASME SA-213 (bešavne cijevi) |
| Minimalna vlačna čvrstoća (RT) | Veći ili jednak 515 MPa (74,8 ksi) |
| Minimalna granica tečenja (RT) | Veći ili jednak 205 MPa (29,7 ksi) |
| Min. Istezanje (RT) | Veći ili jednak 35% |
| Tvrdoća sobne-temperature | Manje od ili jednako 187 HBW |
| Gustoća | 7,90 g/cm³ |
| Toplinska vodljivost (20 stupnjeva) | 15.9 W/(m·K) |
| Koeficijent toplinskog širenja | 16,0 × 10⁻⁶ / stupanj (20–1000 stupnjeva) |
Izvori: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM Handbook Vol. 2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials; EN 10216-5; izvješća o ispitivanju mlinova ovjerena od strane proizvođača.
Uvod
Cijevi petrokemijskih peći su među toplinski najzahtjevnijim komponentama u bilo kojem procesnom postrojenju. Zapaljeni grijači u destilaciji sirove nafte, reformiranju nafte i krekiranju etilena rutinski izlažu metal cijevi temperaturama između 800 i 1100 stupnjeva dok prenose ugljikovodične tekućine pod pritiskom. Odabir pogrešne legure dovodi do ubrzane oksidacije, kvara puzanja ili katastrofalnog pucanja cijevi - događaja koji uzrokuju gašenja jedinice, ekološke incidente i, u u najgorim slučajevima, požari i eksplozije.
Odabirom pre-navedene legure nepotrebno se gubi kapital. 310S nalazi se na dobroj točki za ovaj temperaturni raspon: nudi dovoljnu otpornost na oksidaciju do 1100 stupnjeva, prihvatljivu otpornost na puzanje, izvrsnu zavarljivost i cijenu materijala daleko nižu od superlegura na bazi-nikla.
Ovaj vodič objašnjavašto je 310S, zašto radi na 1100 stupnjeva, kako dizajnirati s njim i kada odabrati alternativu.Podatkovne tablice potječu iz međunarodno priznatih standarda i-recenzirane literature za podršku inženjerskim odlukama.
Što je nehrđajući čelik 310S?
Kemijski sastav
310S je visoko-legirani austenitni (kubični-centrirani) nehrđajući čelik. Njegova značajka koja definira je neobično visok sadržaj kroma i nikla u usporedbi s uobičajenim stupnjevima kao što su 304 ili 316. Tablica 2.1 predstavlja ograničenja sastava prema ASTM A240 i ASME SA-240.
| Element | C | Mn | Si | P | S | kr | Ni |
| Maks./raspon (tež.%) | Manje ili jednako 0,08 | Manje ili jednako 2,00 | Manje ili jednako 1,50 | Manje ili jednako 0,045 | Manje od ili jednako 0,030 | 24.0–26.0 | 19.0–22.0 |
Tablica 2.1 - Kemijski sastav 310S (UNS S31008). Izvor: ASTM A240 / ASME SA-240, Tablica 1; ASTM A213 / ASME SA-213, Tablica 1.
Zašto 25 % kroma i 20 % nikla?
Krom (Cr):Pri koncentracijama iznad ~20 težinskih postotaka, krom preferirano reagira s kisikom i stvara tanku, adhezivnu i -popravljajuću naslagu kromovog oksida (Cr₂O3) na površini čelika. Ova ljestvica djeluje kao difuzijska barijera, dramatično usporavajući daljnju oksidaciju. S 24–26 % Cr, 310S tvori robusnu ljusku koja ostaje zaštitna do približno 1150 stupnjeva u čistim oksidirajućim atmosferama.
Nikal (Ni):Nikal stabilizira gra-kubičnu (austenit) kristalnu strukturu na svim temperaturama do kriogenih. To sprječava kubičnu (martenzitnu) transformaciju-centriranog krhkog tijela koja bi se inače dogodila u feritnim čelicima s visokim-Cr. Nikal također poboljšava otpornost na pougljičavanje - što je kritično u pećima za reformiranje i krekiranje gdje su prisutne pare ugljikovodika.
Nizak ugljik (manje od ili jednako 0,08 %):Oznaka 'S' u 310S označava 'low carbon'. Ograničavanje ugljika na najviše 0,08 wt% suzbija taloženje karbida (senzibilizaciju) u zoni utjecaja topline tijekom zavarivanja, čuvajući otpornost na koroziju i duktilnost. Ovo je posebno važno za-zavarene spojeve cijevi u konstrukciji peći.
Mehanička svojstva-visoke temperature
Projektiranje cijevi peći zahtijeva razumijevanje kako310S čelikponaša se na povišenim temperaturama - ne samo na sobnoj temperaturi. Dva načina kvara dominiraju na temperaturama iznad 800 stupnjeva: (a) oksidacija/korozija stijenke cijevi i (b) puknuće zbog puzanja pod trajnim tlačnim opterećenjem.
Podaci o vlačnoj čvrstoći i puzanju pri povišenim temperaturama
Tablica 3.1 sažima podatke o mehaničkim svojstvima-pri povišenoj temperaturi i puzanju-za 310S. Vlačne vrijednosti reprezentativni su podaci iz ASM priručnika i izvješća o ispitivanju proizvođača. Puzajuća-naprezanja loma predstavljaju naprezanje potrebno da izazove kidanje na navedenoj temperaturi u zadanom vremenskom razdoblju.
| Temperatura | Vlačna čvrstoća (MPa) | 0,2% granica razvlačenja (MPa) | Istezanje (%) | Puzanje pri kidanju 100h (MPa) | Puzanje pri kidanju 10,000h (MPa) |
| Sobna temp. (20 stupnjeva) | Veći ili jednak 515 | Veći ili jednak 205 | Veći ili jednak 35 | - | - |
| 600 stupnjeva (1112 stupnjeva F) | ~330 | ~175 | ~40 | - | - |
| 700 stupnjeva (1292 stupnja F) | ~270 | ~155 | ~42 | ~70 | ~40 |
| 800 stupnjeva (1472 stupnja F) | ~190 | ~120 | ~45 | ~38 | ~18 |
| 900 stupnjeva (1652 stupnja F) | ~110 | ~85 | ~50 | ~16 | ~6 |
| 1000 stupnjeva (1832 stupnja F) | ~60 | ~50 | ~55 | ~7 | ~2 |
| 1100 stupnjeva (2012 stupanj F) | ~32 | ~28 | ~60 | ~2.5 | < 1 |
Tablica 3.1 - mehanička-temperaturna svojstva i svojstva pucanja-puzanja 310S (UNS S31008). Izvori: ASM Handbook Vol. 2 (2. izdanje); ASME BPVC Odjeljak II Dio D (Pododjeljak 3, Tablica 1-100); proizvođač je izdao podatkovne listove za visoke temperature. Vrijednosti su reprezentativne; koristite ASME dopuštena naprezanja za izračun koda.
Što 'puzanje' znači za inženjera za pećne cijevi?
Puzanje je spora, trajna deformacija metala pod dugotrajnim naprezanjem na visokoj temperaturi - čak i kada je naprezanje znatno ispod konvencionalne granice tečenja. Za pećnu cijev, puzanje se manifestira kao postupno stanjivanje stijenke ("ispupčenje") i, u konačnici, pucanje ako se projektirani životni vijek prekorači. Na 1100 stupnjeva, 310S zadržava samo oko 2–3 MPa-naprezanje puzanja za projektirani životni vijek od 10 000 sati.
To znači da cijevi peći koje rade na 1100 stupnjeva moraju biti dizajnirane s vrlo niskim unutarnjim tlakom, tankim stijenkama ili kratkim servisnim intervalima. API 530 pruža inženjerski okvir za izračun dopuštene debljine cijevi u ovom režimu.
Otpornost na oksidaciju i koroziju na 1100 stupnjeva
Mehanizam otpornosti na oksidaciju
Kada se 310S prvi put izloži visoko-temperaturnom oksidirajućem okruženju, krom difundira na površinu i selektivno oksidira, stvarajući tanki (1–5 μm) i prianjajući sloj Cr₂O₃. Jednom uspostavljen, ovaj sloj raste parabolično - što znači da se stopa rasta s vremenom smanjuje jer sam oksidni sloj postaje difuzijska barijera. Rezultat je materijal koji polako oksidira godinama u stabilnim radnim uvjetima.
Ključni podaci o oksidaciji (izvor: podatkovna tablica Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S; ASM priručnik Vol. 13C):
• Kontinuirano korištenje na suhom zraku: do 1100 stupnjeva (neki izvori navode 1150 stupnjeva za čistu atmosferu).
• Isprekidana (ciklička) usluga: ograničenje na 1050 stupnjeva jer ponavljani toplinski ciklusi uzrokuju pucanje zaštitnog kamenca oksida.
• Maksimalna ciklička temperatura za blage cikličke uvjete: 1050 stupnjeva, s kontroliranim stopama povećanja ispod 200 stupnjeva/h.
• U atmosferama s > 2 g/m³ sadržaja sumpora: gornja granica pada na ~1000 stupnjeva (Industeel SIRIUS 310S podatkovna tablica).
Otpornost na karburizaciju i sulfidaciju
Osim jednostavne oksidacije, okruženja petrokemijskih peći često sadrže plinove koji sadrže ugljik (CO, CH₄, C₂H₄) i spojeve sumpora (H₂S, SO₂). Oni napadaju nehrđajuće čelike putem različitih mehanizama:
Karburizacija: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 + dodatak aluminija).
Sulfidacija:Sumporni spojevi reagiraju s kromom i niklom i stvaraju sulfidne faze niskog-taljenja koje mogu prodrijeti kroz oksidnu ljusku. 310S podnosi okruženja s niskim-sumporom (< 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.
Usporedba materijala: 310S u odnosu na konkurentske legure
Ne zahtijeva svaka primjena cijevi peći 310S. Tablica 5.1 uspoređuje 310S s pet uobičajeno navedenih alternativa u svim dimenzijama koje su važne petrokemijskim inženjerima.
| Vlasništvo | 310S (UNS S31008) | 310H (UNS S31009) | 321H (UNS S32109) | HK40 (UNS J94204) | Legura 800H (UNS N08810) | Legura 601 (UNS N06601) |
| Cr (težinski%) | 24–26 | 24–26 | 17–19 | 26–30 | 19–23 | 21–25 |
| Ni (težinski%) | 19–22 | 19–22 | 9–12 | 19–22 | 30–35 | 58–63 |
| C (max, wt%) | 0.08 | 0.04–0.10 | 0.08 | 0.35–0.45 | 0.10 | 0.10 |
| Maks. nastavak Temp. ( stupanj ) | 1100 | 1150 | 925 | 1150 | 1100 | 1200 |
| Otpornost na oksidaciju | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Otpornost na karburizaciju. | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Snaga puzanja @ 1000 stupnjeva | Umjereno | Dobro | Niska | visoko | Dobro | Izvrsno |
| Zavarljivost | Izvrsno | Dobro | Dobro | teško | Dobro | Dobro |
| Relativna cijena materijala | Niska | Niska | srednje | srednje | visoko | Vrlo visoko |
| Tipična primjena | Cijevi za peći, cijevi za zračenje | Puzanje kritičnih-dijelova peći | Kotlovske cijevi (Manje od ili jednako 925 stupnjeva) | Cijevi za parni reforming | Zavojnice za pirolizu/krekiranje | Ekstremna oksidacijska usluga |
Tablica 5.1 - Usporedba legura za servis cijevi petrokemijske peći. ★ ocjene su kvalitativne procjene temeljene na objavljenim podacima o oksidaciji i koroziji. Izvori: ASM Handbook Vol. 13C - Corrosion: Environments and Industries; Special Metals Corporation (tehnički bilteni Alloy 800H, Alloy 601); ASTM međunarodni standardi; tehničke tablice proizvođača. Ocjene troškova su relativne i-ovisne o tržištu.
310S protiv. 310H: Kada odabrati koji?
Ovo je najčešće pitanje u specifikaciji cijevi peći.Odgovor je jednostavan: koristite 310S kada su zavarljivost i otpornost na osjetljivost primarna briga (npr. zamjene-zavarenih cijevi na terenu); koristite 310H kada je potrebna maksimalna otpornost na puzanje i zavarivanje se izvodi u kontroliranim uvjetima u radionici.
310H (UNS S31009) ima sadržaj ugljika 0,04–0,10 % - veći od 310S. Ovaj dodatni ugljik osigurava čvrstu-otopinu i karbidno ojačanje koje poboljšava otpornost na puzanje za otprilike 20–30 % na 900–1000 stupnjeva. Kompromis-je veći rizik od taloženja karbida u zoni-zahvaćene toplinom tijekom zavarivanja (senzibilizacija). Iz tog razloga, zavarivanje 310H obično zahtijeva strože kontrole predgrijavanja i PWHT.
Često postavljana pitanja (FAQ)
Sljedeća pitanja izdvojena su iz inženjerskih konzultacija i predstavljaju najčešće upite o 310S u servisu cijevi petrokemijskih peći.
P1: Koja je maksimalna radna temperatura za nehrđajući čelik 310S?
Maksimalna stalna radna temperatura za 310S (UNS S31008) u zraku je1100 stupnjeva (2012 stupanj 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), granica pada na ~1000 stupnjeva. Ova ograničenja temelje se na podacima ispitivanja oksidacije koje su objavili Industeel ArcelorMittal i proizvođači industrijskih legura.
P2: Može li se 310S koristiti iznad 1100 stupnjeva?
Kratak odgovor: ne, ne za stalnu službu.Iznad 1100 stupnjeva, zaštitna ljestvica Cr₂O3 počinje prelaziti u hlapljivi CrO3 u oksidirajućim okruženjima, brzo gubeći svoju zaštitnu funkciju. Stope puzanja također postaju nepraktično visoke (životni vijek puknuća u tisućama sati, a ne u desecima tisuća). Za rad iznad 1100 stupnjeva, navedite Alloy 601 (formiranje-aluminijevog oksida), Alloy 602CA ili keramičkim-sustavom.
P3: Koji standard regulira debljinu cijevi peći 310S u rafineriji?
API standard 530("Izračun debljine-cijevi grijača u naftnim rafinerijama," 7. izdanje) primarni je standard. Definira dopuštena naprezanja za 310S u elastičnom i-režimu pucanja pri puzanju. Za uvjete-ograničenog puzanja (temperatura metala cijevi > 900 stupnjeva), API 530 Dodatak C pruža potrebne vremenske-krivulje temperature pucanja. ASME BPVC odjeljak II dio D pruža temeljne dopuštene vrijednosti naprezanja koje se koriste u API 530 proračunima.
P4: Koja je razlika između 310S i 310H za primjenu cijevi peći?
310S (UNS S31008):Ugljik Manji ili jednak 0,08 %. Poželjno kada su zavarljivost, otpornost na osjetljivost i lakoća zavarivanja na terenu prioriteti. Nešto manja otpornost na puzanje od 310H.
310H (UNS S31009):Ugljik 0,04–0,10 %. Odabire se kada je potrebna maksimalna otpornost na puzanje (npr. visoko{5}}tlačne radijacijske cijevi, veliki rasponi). Zavarivanje zahtijeva strože kontrole. Oba razreda imaju isti sadržaj Cr i Ni.
Konačan zaključak:Navedite 310S kao zadani; nadogradite na 310H samo kada izračun vijeka puzanja pokaže nedovoljnu preostalu maržu s 310S.
P5: Zahtijeva li 310S toplinsku obradu nakon -zavarivanja (PWHT)?
Ne - PWHT općenito nije potreban za 310S i potencijalno je štetan. Zagrijavanje 310S u rasponu 600–900 stupnjeva tijekom PWHT može precipitirati krtu sigma fazu i kromove karbide. Za-zavareno stanje obično je prihvatljivo za većinu petrokemijskih usluga. Ako je kritično potrebno smanjenje zaostalog naprezanja (npr. ozbiljno cikličko toplinsko opterećenje), posavjetujte se s metalurgom za zavarivanje prije bilo kakve toplinske obrade.
P6: Koji su primjenjivi ASTM standardi za nabavu cijevi za peći 310S?
Primarni ASTM standardi su: ASTM A213 / ASME SA-213 (bešavne cijevi za kotlove i izmjenjivače topline) za stupanj TP310S i ASTM A249 / ASME SA-249 (zavarene cijevi) za stupanj TP310S. Za povezane cjevovode primjenjuje se ASTM A312 / ASME SA-312 (razred TP310S). Svi materijali nabavljeni za konstrukciju ASME Code moraju sadržavati Izvješće o ispitivanju mlina (MTR) prema ASTM A450 (opći zahtjevi za cijevi) s potpunom kemijskom analizom i rezultatima mehaničkog ispitivanja.
P7: Koliko često treba provjeravati cijevi peći 310S u rafineriji?
API RP 573("Inspekcija loženih kotlova i grijača") preporučuje vanjsku vizualnu i UT provjeru debljine minimalno svake 2-4 godine ili pri svakom planiranom servisu - što god nastupi prije. Cijevi koje neprekidno rade iznad 950 stupnjeva ili u korozivnim atmosferama treba češće provjeravati. Preostale-procjene životnog vijeka korištenjem pristupa API 530 Larson-Miller treba ažurirati pri svakoj inspekciji na temelju stvarne povijesti temperature iz radnih dnevnika i povjesničara podataka.
