• 310S (UNS S31008) je industrijski-standardni austenitni nehrđajući čelik za cijevi petrohemijskih peći koje su ocijenjene na 1100 stepeni neprekidnog rada.
• Njegov sastav od 25 % Cr / 20 % Ni formira gust, samopopravljajući kamenac Cr₂O₃ oksida koji blokira ulazak kiseonika i sumpora.
• Debljina zida se mora izračunati prema API 530 pravilima puzanja{1}}puzanja kada temperatura metala pređe 900 stepeni.
• Za servis iznad 1050 stepeni ili u teškim atmosferama karburizacije/sulfidiranja, nadogradite na 310H, HK40 ili Alloy 601.
• Sve cijevi peći u rafineriji zahtijevaju periodičnu UT inspekciju prema API RP 573 svake 2-4 godine.
310S Ključni parametri
| Ključni parametar | Vrijednost / Specifikacija |
| Oznaka legure | UNS S31008 / AISI 310S / EN 1.4845 |
| Chromium Content | 24,0 – 26,0 tež.% |
| Sadržaj nikla | 19,0 – 22,0 tež.% |
| Maksimalna temp. | 1100 stepeni (2012 stepeni F) u vazduhu |
| Maksimalna povremena servisna temp. | 1050 stepeni (1922 stepena F) u biciklističkoj službi |
| Granica otpornosti na oksidaciju | Do 1150 stepeni (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 snaga popuštanja (RT) | Veći ili jednak 205 MPa (29,7 ksi) |
| Min. Izduženje (RT) | Veće ili jednako 35% |
| Sobna{0}}Tvrdoća na temperaturi | Manje ili jednako 187 HBW |
| Gustina | 7,90 g/cm³ |
| Toplotna provodljivost (20 stepeni) | 15.9 W/(m·K) |
| Koeficijent toplinske ekspanzije | 16,0 × 10⁻⁶ / stepen (20–1000 stepeni) |
Izvori: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM Handbook Vol. 2 - Svojstva i izbor: legure obojenih metala i materijali posebne namjene; EN 10216-5; Izvještaji o ispitivanju mlina sa certifikatom proizvođača.
Uvod
Cijevi za petrohemijske peći su među termički najzahtjevnijim komponentama u bilo kojem procesnom postrojenju. Zapaljeni grijači u sirovoj destilaciji, reformisanju nafte i pucanju etilena rutinski izlažu metal cijevi temperaturama između 800 stepeni i 1100 stepeni dok nose ugljovodonične tekućine pod pritiskom. Odabir pogrešne legure dovodi do ubrzane oksidacije, kvara puzanja ili katastrofalnog kvara, kvara cijevi u okolini} i incidenta {{4} najgori slučajevi, požari i eksplozije.
Odabirom preko-specificirane legure nepotrebno se troši kapital. 310S je najbolja tačka za ovaj temperaturni raspon: nudi dovoljnu otpornost na oksidaciju do 1100 stepeni, prihvatljivu čvrstoću puzanja, odličnu zavarljivost i cijenu materijala daleko ispod superlegura na bazi nikla-.
Ovaj vodič objašnjavašta je 310S, zašto radi na 1100 stepeni, kako dizajnirati sa njim i kada odabrati alternativu.Tabele podataka su izvori iz međunarodno priznatih standarda i literature{0}}recenzirane od strane kolega za podršku inženjerskim odlukama.
Šta je nerđajući čelik 310S?
Hemijski sastav
310S je visoko-legirani austenitni (če-centrirani kubni) nerđajući čelik. Njegova definitivna karakteristika je neobično visok sadržaj hroma i nikla u poređenju sa uobičajenim klasama kao što su 304 ili 316. Tabela 2.1 predstavlja granice sastava prema ASTM A240 i ASME SA-240.
| Element | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni |
| Max/Raspon (težinski%) | Manje ili jednako 0,08 | Manje ili jednako 2,00 | Manje ili jednako 1,50 | Manje ili jednako 0,045 | Manje ili jednako 0,030 | 24.0–26.0 | 19.0–22.0 |
Tabela 2.1 - Hemijski sastav 310S (UNS S31008). Izvor: ASTM A240 / ASME SA-240, Tabela 1; ASTM A213 / ASME SA-213, tabela 1.
Zašto 25 % hroma i 20 % nikla?
hrom (Cr):Pri koncentracijama iznad ~20 tež%, hrom prvenstveno reaguje sa kiseonikom da bi na površini čelika formirao tanku, lepljivu i samopopravljajuću ljusku hrom-oksida (Cr₂O₃). Ova skala djeluje kao difuzijska barijera, dramatično usporavajući daljnju oksidaciju. Sa 24–26 % Cr, 310S formira robusnu skalu koja ostaje zaštitna do približno 1150 stepeni u čistoj oksidirajućoj atmosferi.
Nikl (Ni):Nikl stabilizuje-centriranu kubičnu (austenitnu) kristalnu strukturu na svim temperaturama sve do kriogenih. Ovo sprječava kubičnu (martenzitnu) transformaciju lomljivog tijela-centrirana koja bi se inače dogodila u feritnim čelicima s visokim{3}}cr. Nikl također poboljšava otpornost na karburizaciju - što je kritična briga u pećima za reformiranje i krekiranje gdje su prisutne pare ugljovodonika.
Nisko ugljični (manje ili jednako 0,08%):Oznaka 'S' u 310S znači 'niskougljični'. Ograničavanje ugljenika na maksimalno 0,08 tež.% potiskuje taloženje karbida (senzibilizaciju) u zoni -zahvaćenoj toplinom tokom zavarivanja, čuvajući otpornost na koroziju i duktilnost. Ovo je posebno važno za terenske{5}}zavarene spojeve cijevi u konstrukciji peći.
-Mehanička svojstva pri visokim temperaturama
Projektovanje cijevi za peć zahtijeva razumijevanje kako310S čelikponaša se na povišenim temperaturama - ne samo na sobnoj temperaturi. Na temperaturama iznad 800 stepeni dominiraju dva načina kvara: (a) oksidacija/korozija stijenke cijevi i (b) puknuće puzanjem pod stalnim pritiskom.
Podaci o zatezanju i puzanju na povišenim temperaturama
Tabela 3.1 sažima podatke o-mehaničkim svojstvima na povišenoj temperaturi i puzanju{2}}za 310S. Vrijednosti zatezanja su reprezentativni podaci iz ASM priručnika i izvještaja o ispitivanju proizvođača. Puzanja{6}}naprezanja kidanja predstavljaju naprezanje potrebno da izazove pucanje na navedenoj temperaturi u datom vremenskom periodu.
| Temperatura | Vlačna čvrstoća (MPa) | 0,2% granica tečenja (MPa) | Izduženje (%) | Napon puzanja 100h (MPa) | Napon puzanja 10.000h (MPa) |
| Sobna temp. (20 stepeni) | Veće ili jednako 515 | Veće ili jednako 205 | Veće ili jednako 35 | - | - |
| 600 stepeni (1112 stepeni F) | ~330 | ~175 | ~40 | - | - |
| 700 stepeni (1292 stepena F) | ~270 | ~155 | ~42 | ~70 | ~40 |
| 800 stepeni (1472 stepena F) | ~190 | ~120 | ~45 | ~38 | ~18 |
| 900 stepeni (1652 stepena F) | ~110 | ~85 | ~50 | ~16 | ~6 |
| 1000 stepeni (1832 stepena F) | ~60 | ~50 | ~55 | ~7 | ~2 |
| 1100 stepeni (2012 stepen F) | ~32 | ~28 | ~60 | ~2.5 | < 1 |
Tabela 3.1 - Povišene-mehaničke osobine temperature i puzanja{2}}svojstva 310S (UNS S31008). Izvori: ASM Handbook Vol. 2 (2. ed.); ASME BPVC Odjeljak II Dio D (Poddio 3, Tabela 1-100); proizvođač je izdao listove podataka za visoke temperature. Vrijednosti su reprezentativne; koristite ASME dozvoljene napone za proračune koda.
Šta 'puzanje' znači za inženjera cijevi za peći?
Puzanje je spora, trajna deformacija metala pod stalnim naprezanjem na visokoj temperaturi - čak i kada je napon znatno ispod konvencionalne granice popuštanja. Za cijev peći, puzanje se manifestira kao postepeno stanjivanje stijenke ("ispupčenje") i, u konačnici, pucanje ako je projektni vijek prekoračen. Na 1100 stepeni, 310S zadržava samo oko 2-3 MPa puzajući-napon puzanja za projektni vijek od 10.000 sati.
To znači da cevi peći koje rade na 1100 stepeni moraju biti projektovane sa veoma niskim unutrašnjim pritiskom, tankim zidovima ili kratkim servisnim intervalima. API 530 pruža inženjerski okvir za izračunavanje dozvoljene debljine cijevi u ovom režimu.
Otpornost na oksidaciju i koroziju na 1100 stepeni
Mehanizam otpornosti na oksidaciju
Kada se 310S prvi put izloži oksidacionom okruženju visoke-temperature, hrom difunduje na površinu i selektivno oksidira, formirajući tanak (1–5 μm) i prianjajući sloj Cr₂O₃. Jednom uspostavljen, ovaj sloj raste parabolično - što znači da se brzina rasta smanjuje s vremenom kako sam oksidni sloj postaje difuziona barijera. Rezultat je materijal koji polako oksidira godinama pod stalnim radnim uvjetima.
Ključni podaci o oksidaciji (izvor: Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S datasheet; ASM Handbook Vol. 13C):
• Kontinuirani rad na suvom vazduhu: do 1100 stepeni (neki izvori navode 1150 stepeni za čistu atmosferu).
• Intermitentni (ciklični) servis: ograničenje na 1050 stepeni jer ponovljeni termički ciklusi izazivaju ljuštenje zaštitnog oksida.
• Maksimalna ciklična temperatura za blage uslove ciklusa: 1050 stepeni, sa kontrolisanim brzinama rampe ispod 200 stepeni/h.
• U atmosferama sa sadržajem sumpora > 2 g/m³: gornja granica pada na ~1000 stepeni (Industeel SIRIUS 310S datasheet).
Otpornost na karburizaciju i sulfidaciju
Osim jednostavne oksidacije, okruženja petrohemijskih peći često sadrže ugljične plinove (CO, CH₄, C₂H₄) i jedinjenja sumpora (H₂S, SO₂). Oni napadaju nerđajući čelik kroz različite mehanizme:
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 aluminijuma).
sulfidacija:Jedinjenja sumpora reaguju sa hromom i niklom da formiraju nisko-tape sulfidne faze koje mogu prodrijeti kroz oksidnu skalu. 310S podnosi nisko-okruženje (< 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.
Poređenje materijala: 310S u odnosu na konkurentske legure
Ne zahtijeva svaka primjena cijevi za peći 310S. Tabela 5.1 upoređuje 310S sa pet uobičajeno specificiranih alternativa po dimenzijama koje su važne petrohemijskim inženjerima.
| Nekretnina | 310S (UNS S31008) | 310H (UNS S31009) | 321H (UNS S32109) | HK40 (UNS J94204) | Legura 800H (UNS N08810) | Legura 601 (UNS N06601) |
| Cr (wt%) | 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, tež.%) | 0.08 | 0.04–0.10 | 0.08 | 0.35–0.45 | 0.10 | 0.10 |
| Max. Nastavak. Temp. (stepen) | 1100 | 1150 | 925 | 1150 | 1100 | 1200 |
| Otpornost na oksidaciju | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Otpor na karburizaciju. | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Snaga puzanja @ 1000 stepeni | Umjereno | Dobro | Nisko | Visoko | Dobro | Odlično |
| Zavarljivost | Odlično | Dobro | Dobro | Tesko | Dobro | Dobro |
| Relativna cijena materijala | Nisko | Nisko | Srednje | Srednje | Visoko | Vrlo visoko |
| Tipična primjena | Cijevi za peći, zračne cijevi | Puzajući{0}}kritični dijelovi peći | Cijevi za kotlove (manje ili jednako 925 stepeni) | Cijevi za reformu pare | Zavojnice za pirolizu/krekiranje | Ekstremna oksidirajuća usluga |
Tabela 5.1 - Poređenje legure za servis cijevi petrohemijskih peći. ★ ocjene su kvalitativne procjene zasnovane na objavljenim podacima o oksidaciji i koroziji. Izvori: Priručnik ASM Vol. 13C - Korozija: životna sredina i industrije; Special Metals Corporation (tehnički bilteni od legure 800H, legure 601); ASTM međunarodni standardi; tehnički listovi proizvođača. Ocjene troškova su relativne i zavise- od tržišta.
310S vs. 310H: Kada odabrati koji?
Ovo je najčešće pitanje u specifikaciji cijevi peći.Odgovor je jasan: koristite 310S kada su zavarljivost i otpornost na senzibilizaciju primarni problem (npr., zamjene zavarenih cijevi na terenu); koristite 310H kada je potrebna maksimalna čvrstoća puzanja i zavarivanje se vrši u kontrolisanim radnim uslovima.
310H (UNS S31009) ima sadržaj ugljika od 0,04–0,10 % - veći od 310S. Ovaj dodatni ugljenik pruža čvrstu-otopinu i ojačanje karbida koje poboljšava otpornost na puzanje za otprilike 20-30% na 900-1000 stepeni. Kompromis-je veći rizik od taloženja karbida u zoni{14}zahvaćenoj toplinom tokom zavarivanja (senzibilizacija). Iz tog razloga, 310H zavarivanje obično zahtijeva strožije kontrole predgrijavanja i PWHT kontrole.
Često postavljana pitanja (FAQ)
Sljedeća pitanja su izvučena iz inženjerskih konsultacija i predstavljaju najčešća pitanja o 310S u servisu cijevi petrohemijskih peći.
P1: Koja je maksimalna radna temperatura za 310S nehrđajući čelik?
Maksimalna temperatura kontinuiranog rada za 310S (UNS S31008) u zraku je1100 stepeni (2012 stepen 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 stepeni. Ova ograničenja su zasnovana na podacima ispitivanja oksidacije koje su objavili Industeel ArcelorMittal i industrijski proizvođači legura.
P2: Može li se 310S koristiti iznad 1100 stepeni?
Kratak odgovor: ne, nije za kontinuiranu uslugu.Iznad 1100 stepeni, zaštitna skala Cr₂O₃ počinje prelaziti u isparljivi CrO₃ u oksidirajućim sredinama, brzo gubeći svoju zaštitnu funkciju. Stope puzanja takođe postaju nepraktično visoke (život kidanja u hiljadama sati, a ne u desetinama hiljada). Za servis iznad 1100 stepeni, navedite Alloy 601 (formiranje glinice), Alloy 602CA ili keramički{7}}obložen sistem.
P3: Koji standard reguliše dizajn debljine cijevi peći 310S u rafineriji?
API standard 530("Proračun debljine cijevi grijača{0}}u rafinerijama nafte," 7. izdanje) je primarni standard. Definira dozvoljena naprezanja za 310S iu elastičnom iu režimu{4}puzanja. Za ograničene uslove puzanja-(temperatura metala cijevi > 900 stepeni), API 530 Dodatak C daje potrebne krive vremenske{9}temperature rupture. ASME BPVC Odjeljak II Dio D daje osnovne dozvoljene vrijednosti naprezanja koje se koriste u proračunima API 530.
P4: Koja je razlika između 310S i 310H za primjenu cijevi za peći?
310S (UNS S31008):Ugljik Manje ili jednako 0,08 %. Poželjno kada su zavarljivost, otpornost na preosjetljivost i lakoća zavarivanja na terenu prioriteti. Nešto niža snaga puzanja od 310H.
310H (UNS S31009):Ugljik 0,04–0,10 %. Odabrana kada je potrebna maksimalna snaga puzanja (npr. zračne cijevi visokog-pritiska, dugi rasponi). Zavarivanje zahtijeva strožiju kontrolu. Oba razreda imaju isti sadržaj Cr i Ni.
Konačan zaključak:Navedite 310S kao zadanu; nadogradite na 310H samo kada proračun puzanja pokaže nedovoljnu preostalu marginu sa 310S.
P5: Da li 310S zahtijeva termičku obradu nakon-zavarivanja (PWHT)?
Nema - PWHT općenito nije potreban za 310S i potencijalno je štetan. Zagrevanje 310S u opsegu 600–900 stepeni tokom PWHT može istaložiti krtu sigma fazu i hrom karbide. Zavareno stanje je tipično prihvatljivo za većinu petrohemijskih usluga. Ako je smanjenje zaostalog naprezanja kritično potrebno (npr. teško ciklično termičko opterećenje), konsultujte se sa metalurgom za zavarivanje prije primjene bilo kakve toplinske obrade.
P6: Koji su primjenjivi ASTM standardi za nabavku cijevi za peći 310S?
Primarni ASTM standardi su: ASTM A213 / ASME SA-213 (bešavne cijevi za kotlove i izmjenjivače topline) za razred TP310S, i ASTM A249 / ASME SA-249 (zavarene cijevi) za razred TP310S. Za povezane cjevovode primjenjuje se ASTM A312 / ASME SA-312 (Grade TP310S). Svi materijali nabavljeni za konstrukciju ASME Kodeksa moraju uključiti izvještaj o ispitivanju mlina (MTR) prema ASTM A450 (opšti zahtjevi za cijevi) sa potpunom kemijskom analizom i rezultatima mehaničkih ispitivanja.
P7: Koliko često treba pregledati cijevi peći 310S u rafineriji?
API RP 573("Inspekcija loženih kotlova i grijača") preporučuje vanjsku vizualnu i UT kontrolu debljine minimalno svake 2-4 godine, ili pri svakom planiranom obrtu održavanja - što god nastupi prije. Cevi koje rade kontinuirano iznad 950 stepeni, ili u korozivnoj atmosferi, treba češće pregledavati. Preostale-procjene životnog vijeka koristeći API 530 Larson-Miller pristup treba ažurirati pri svakoj inspekciji na osnovu stvarne historije temperature iz operativnih dnevnika i historičara podataka.
