• 310S (UNS S31008) on alan -standardi austeniittista ruostumatonta terästä petrokemian uunien putkille, jotka on mitoitettu 1100 asteen jatkuvaan käyttöön.
• Sen 25 % Cr / 20 % Ni -koostumus muodostaa tiheän, itse-korjautuvan Cr₂O₃ -oksidihilseen, joka estää hapen ja rikin sisäänpääsyn.
• Seinämän paksuus on laskettava API 530:n ryömintä-murtumissääntöjen mukaisesti, kun metallin lämpötila ylittää 900 astetta.
• Päivitä 310H-, HK40- tai Alloy 601:een huoltoa varten yli 1050 asteen lämpötiloissa tai raskaassa hiiltyvässä/sulfidoivassa ympäristössä.
• Kaikki jalostamon käytössä olevat uuniputket vaativat määräaikaisen UT-tarkastuksen API RP 573:n mukaisesti 2–4 vuoden välein.
310S avainparametrit
| Avainparametri | Arvo / spesifikaatio |
| Seoksen nimitys | UNS S31008 / AISI 310S / EN 1.4845 |
| Kromisisältö | 24,0 – 26,0 painoprosenttia |
| Nikkelisisältö | 19,0–22,0 painoprosenttia |
| Max jatkuva huoltolämpötila | 1100 astetta (2012 astetta F) ilmassa |
| Max ajoittainen palvelulämpötila | 1050 astetta (1922 astetta F) pyöräilypalvelussa |
| Hapettumiskestävyysraja | Jopa 1150 astetta (lievästi hapettava ilmakehä) |
| Ensisijainen hallitseva standardi | ASTM A213 / ASME SA-213 (saumattomat putket) |
| Minimaalinen vetolujuus (RT) | Suurempi tai yhtä suuri kuin 515 MPa (74,8 ksi) |
| Minimituottovoima (RT) | Suurempi tai yhtä suuri kuin 205 MPa (29,7 ksi) |
| Min. Pidentymä (RT) | Suurempi tai yhtä suuri kuin 35 % |
| Huone{0}}Lämpötilan kovuus | Vähemmän tai yhtä suuri kuin 187 HBW |
| Tiheys | 7,90 g/cm³ |
| Lämmönjohtavuus (20 astetta) | 15.9 W/(m·K) |
| Lämpölaajenemiskerroin | 16,0 × 10⁻⁶ / aste (20–1000 astetta) |
Lähteet: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM Handbook Vol{3}} Ominaisuudet ja valikoima: Ei-rautametalliseokset ja erikoismateriaalit; EN 10216-5; valmistajan hyväksymät tehtaan testiraportit.
Johdanto
Petrokemian uuniputket ovat lämpöä vaativimpia komponentteja kaikissa prosessilaitoksissa. Poltetut lämmittimet raakatislauksessa, teollisuusbensiinin reformoinnissa ja eteenin krakkauksessa altistavat putkimetallin rutiininomaisesti 800-1100 asteen lämpötiloille samalla kun ne kuljettavat hiilivetynesteitä paineen alaisena. Väärän seoksen valitseminen johtaa kiihtyneeseen hapettumiseen, virumishäiriöön tai ympäristön aiheuttamiin vaurioihin, putken katkeamiseen ja katastrofaaliseen yksikössä}}} pahimmissa tapauksissa tulipalot ja räjähdykset.
Yli{0}}määritellyn seoksen valitseminen hukkaa pääomaa tarpeettomasti. 310S on tämän lämpötila-alueen mukavin paikka: se tarjoaa riittävän hapettumisenkestävyyden 1100 asteeseen asti, hyväksyttävän virumislujuuden, erinomaisen hitsattavuuden ja materiaalikustannusten paljon alle nikkeli-perussuperseosten.
Tämä opas selittäämikä 310S on, miksi se toimii 1100 asteessa, miten sen kanssa suunnitellaan ja milloin valita vaihtoehto.Tietotaulukot ovat peräisin kansainvälisesti tunnustetuista standardeista ja vertaisarvioidusta{0}}kirjallisuudesta teknisten päätösten tueksi.
Mikä on ruostumaton teräs 310S?
Kemiallinen koostumus
310S on runsas-seostettu austeniittinen (pinta-keskitetty kuutio) ruostumaton teräs. Sen määrittelevä piirre on epätavallisen korkea kromi- ja nikkelipitoisuus verrattuna yleisiin laatuihin, kuten 304 tai 316. Taulukossa 2.1 on esitetty ASTM A240:n ja ASME SA-240:n mukaiset koostumusrajat.
| Elementti | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni |
| Max / alue (paino-%) | Pienempi tai yhtä suuri kuin 0,08 | Pienempi tai yhtä suuri kuin 2,00 | Pienempi tai yhtä suuri kuin 1,50 | Pienempi tai yhtä suuri kuin 0,045 | Pienempi tai yhtä suuri kuin 0,030 | 24.0–26.0 | 19.0–22.0 |
Taulukko 2.1 - 310S:n (UNS S31008) kemiallinen koostumus. Lähde: ASTM A240 / ASME SA-240, Taulukko 1; ASTM A213 / ASME SA-213, taulukko 1.
Miksi 25 % kromia ja 20 % nikkeliä?
Kromi (Cr):Yli ~20 paino-%:n pitoisuuksilla kromi reagoi ensisijaisesti hapen kanssa muodostaen ohuen, tarttuvan ja itse-korjautuvan kromioksidikerrostuman (Cr₂O3) teräksen pinnalle. Tämä asteikko toimii diffuusioesteenä ja hidastaa dramaattisesti hapettumista. 24–26 % Cr:n kanssa 310S muodostaa vankan skaalan, joka säilyttää suojaa noin 1150 asteeseen puhtaissa hapettavissa olosuhteissa.
Nikkeli (Ni):Nikkeli stabiloi pinta{0}}keskittyneen kuution (austeniitti) kiderakenteen kaikissa lämpötiloissa aina kryogeeniseen. Tämä estää hauraan kappaleen-keskittyneen kuutioisen (martensiitti) muuntumisen, joka muuten tapahtuisi korkean-Cr:n ferriittisissä teräksissä. Nikkeli parantaa myös hiiletyskestävyyttä - mikä on kriittinen huolenaihe reformointi- ja krakkausuuneissa, joissa on hiilivetyhöyryjä.
Vähähiilinen (vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,08 %):S-merkintä 310S:ssä tarkoittaa vähähiilistä. Hiilen rajoittaminen enintään 0,08 painoprosenttiin estää karbidin saostumista (herkistymistä) lämpövaikutusalueella hitsauksen aikana, mikä säilyttää korroosionkestävyyden ja sitkeyden. Tämä on erityisen tärkeää kenttä{5}}hitsattujen putkien liitoksissa uunin rakentamisessa.
Korkean lämpötilan{0}}mekaaniset ominaisuudet
Uunin putken suunnittelu vaatii ymmärtämistä310S terästäkäyttäytyy korkeissa lämpötiloissa - ei vain huoneenlämmössä. Kaksi vikatilaa hallitsee yli 800 asteen lämpötiloissa: (a) putken seinämän hapettuminen/korroosio ja (b) virumisrepeäminen jatkuvassa painekuormituksessa.
Veto- ja virumistiedot korkeissa lämpötiloissa
Taulukossa 3.1 on yhteenveto 310S:n kohonneen-lämpötilan mekaanisista ominaisuuksista ja virumista{2}}murtumisesta. Vetoarvot ovat edustavia tietoja ASM Handbookista ja valmistajan testiraporteista. Viruminen-murtojännitykset edustavat jännitystä, joka vaaditaan repeämisen aiheuttamiseksi ilmoitetussa lämpötilassa tietyn ajanjakson aikana.
| Lämpötila | Vetolujuus (MPa) | 0,2 %:n myötölujuus (MPa) | Pidentymä (%) | Virumisen repeämäjännitys 100h (MPa) | Virumisen repeämäjännitys 10 000h (MPa) |
| Huoneen lämpötila (20 astetta) | Suurempi tai yhtä suuri kuin 515 | Suurempi tai yhtä suuri kuin 205 | Suurempi tai yhtä suuri kuin 35 | - | - |
| 600 astetta (1112 astetta F) | ~330 | ~175 | ~40 | - | - |
| 700 astetta (1292 astetta F) | ~270 | ~155 | ~42 | ~70 | ~40 |
| 800 astetta (1472 astetta F) | ~190 | ~120 | ~45 | ~38 | ~18 |
| 900 astetta (1652 astetta F) | ~110 | ~85 | ~50 | ~16 | ~6 |
| 1000 astetta (1832 astetta F) | ~60 | ~50 | ~55 | ~7 | ~2 |
| 1100 astetta (2012 astetta F) | ~32 | ~28 | ~60 | ~2.5 | < 1 |
Taulukko 3.1 - 310S:n (UNS S31008) kohonneet-lämpötilan mekaaniset ja{2}}murtumisominaisuudet. Lähteet: ASM Handbook Vol. 2 (2. painos); ASME BPVC Section II, osa D (alaosa 3, taulukko 1-100); valmistaja on antanut korkean lämpötilan tuotetiedot. Arvot ovat edustavia; käytä ASME:n sallittuja jännityksiä koodilaskelmiin.
Mitä "viruminen" tarkoittaa uuniputkisuunnittelijalle?
Viruminen on metallin hidasta, pysyvää muodonmuutosta jatkuvassa jännityksessä korkeassa lämpötilassa -, vaikka jännitys on selvästi tavanomaista myötörajaa pienempi. Uunin putkessa viruminen ilmenee seinämän asteittaisena ohenemisena ("pulloitumisena") ja viime kädessä repeytymisenä, jos suunniteltu käyttöikä ylittyy. 1100 asteessa 310S säilyttää vain noin 2–3 MPa:n virumisjännityksen{7}}10 000 tunnin mitoitusajan.
Tämä tarkoittaa, että 1100 asteen kulmassa toimivat uuniputket on suunniteltava erittäin alhaisella sisäpaineella, ohuilla seinillä tai lyhyillä huoltoväleillä. API 530 tarjoaa teknisen kehyksen sallitun putken paksuuden laskemiseksi tässä järjestelmässä.
Hapettumisen ja korroosionkestävyys 1100 asteessa
Hapettumiskestävyysmekanismi
Kun 310S altistetaan ensimmäisen kerran korkean lämpötilan hapettavalle ympäristölle, kromi diffundoituu pintaan ja hapettuu selektiivisesti muodostaen ohuen (1–5 μm) ja tarttuvan Cr₂O₃ -kerroksen. Kun kerros on muodostunut, se kasvaa parabolisesti -, mikä tarkoittaa, että kasvunopeus hidastuu ajan myötä, kun itse oksidikerroksesta tulee diffuusioeste. Tuloksena on materiaali, joka hapettuu hitaasti vuosia tasaisissa käyttöolosuhteissa.
Tärkeimmät hapettumistiedot (lähde: Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S -tietolehti; ASM Handbook Vol. 13C):
• Jatkuva huolto kuivassa ilmassa: jopa 1100 astetta (jotkut lähteet mainitsevat 1150 astetta puhtaissa tiloissa).
• Jaksottainen (syklinen) huolto: raja 1050 asteeseen, koska toistuva lämpösykli aiheuttaa suojaavan oksidikalkin lohkeilun.
• Suurin syklinen lämpötila lievissä pyöräilyolosuhteissa: 1050 astetta, kontrolloidulla ramppinopeudella alle 200 astetta/h.
• Ilmakehissä, joissa rikkipitoisuus on > 2 g/m³: yläraja putoaa ~1000 asteeseen (Industeel SIRIUS 310S -tietolehti).
Hiiletys- ja sulfidaatiokestävyys
Pelkän hapettumisen lisäksi petrokemian uuniympäristöt sisältävät usein hiilipitoisia kaasuja (CO, CH4, C2H4) ja rikkiyhdisteitä (H2S, SO2). Nämä hyökkäävät ruostumattomia teräksiä vastaan erilaisten mekanismien kautta:
Hiiletys: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 + alumiinilisäys) ovat edullisia.
Sulfidointi:Rikkiyhdisteet reagoivat kromin ja nikkelin kanssa muodostaen matalassa{0}}sulavia sulfidifaaseja, jotka voivat tunkeutua oksidihilseen. 310S käsittelee vähärikkisiä ympäristöjä (< 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.
Materiaalivertailu: 310S vs. kilpailevat metalliseokset
Jokainen uuniputkisovellus ei vaadi 310S:ää. Taulukossa 5.1 verrataan 310S:ää viiteen yleisesti määriteltyyn vaihtoehtoon petrokemian insinööreille tärkeissä mitoissa.
| Omaisuus | 310S (UNS S31008) | 310H (UNS S31009) | 321H (UNS S32109) | HK40 (UNS J94204) | Alloy 800H (UNS N08810) | Alloy 601 (UNS N06601) |
| Cr (paino-%) | 24–26 | 24–26 | 17–19 | 26–30 | 19–23 | 21–25 |
| Ni (paino-%) | 19–22 | 19–22 | 9–12 | 19–22 | 30–35 | 58–63 |
| C (max, paino-%) | 0.08 | 0.04–0.10 | 0.08 | 0.35–0.45 | 0.10 | 0.10 |
| Max. Jatk. Temp. ( tutkinto ) | 1100 | 1150 | 925 | 1150 | 1100 | 1200 |
| Hapettumiskestävyys | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Hiiltymisen estävä. | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Virumisvoima @ 1000 astetta | Kohtalainen | Hyvä | Matala | Korkea | Hyvä | Erinomainen |
| Hitsattavuus | Erinomainen | Hyvä | Hyvä | Vaikea | Hyvä | Hyvä |
| Suhteellinen materiaalikustannus | Matala | Matala | Keskikokoinen | Keskikokoinen | Korkea | Erittäin korkea |
| Tyypillinen sovellus | Uunin putket, säteilyputket | Kriittiset uunin osat- | Kattilaputket ( pienempi tai yhtä suuri kuin 925 astetta ) | Höyryreformointiputket | Pyrolyysi/krakkauskelat | Äärimmäinen hapettava palvelu |
Taulukko 5.1 - Seosten vertailu petrokemian uuniputkien huoltoon. ★ arvosanat ovat laadullisia arvioita, jotka perustuvat julkaistuihin hapettumis- ja korroosiotietoihin. Lähteet: ASM Handbook Vol. 13C - Corrosion: Environments and Industries; Special Metals Corporation (Alloy 800H, Alloy 601 tekniset tiedotteet); ASTM Kansainväliset standardit; valmistajan tekniset tiedot. Hintaluokitukset ovat suhteellisia ja markkina-riippuvaisia.
310S vs. 310H: Milloin valita kumpi?
Tämä on yleisin kysymys uunin putken eritelmissä.Vastaus on suoraviivainen: käytä 310S:tä, kun hitsattavuus ja herkistymisen kestävyys ovat ensisijaisia huolenaiheita (esim. kenttä-hitsattujen letkujen vaihto); käytä 310H:ta, kun vaaditaan suurinta virumislujuutta ja hitsaus tehdään valvotuissa konepajaolosuhteissa.
310H:n (UNS S31009) hiilipitoisuus on 0,04–0,10 % - korkeampi kuin 310S. Tämä lisähiili tarjoaa kiinteän-liuoksen ja kovametallivahvistuksen, joka parantaa virumisvastusta noin 20–30 % 900–1000 asteen kulmassa. Kompromissi-on suurempi riski kovametallisaostumisesta lämpö{14}}vyöhykkeellä hitsauksen aikana (herkistyminen). Tästä syystä 310H-hitsaus vaatii tyypillisesti tiukempia esilämmitys- ja PWHT-säätöjä.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Seuraavat kysymykset on poimittu insinöörineuvotteluista ja edustavat yleisimpiä kyselyitä 310S:stä petrokemian uuniputkipalvelussa.
Q1: Mikä on 310S ruostumattoman teräksen suurin käyttölämpötila?
Suurin jatkuva käyttölämpötila 310S (UNS S31008) ilmassa on1100 astetta (2012 astetta 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), raja putoaa ~1000 asteeseen. Nämä rajat perustuvat Industeel ArcelorMittalin ja teollisuuden metalliseosten valmistajien julkaisemiin hapettumistestitietoihin.
Q2: Voidaanko 310S käyttää yli 1100 asteen kulmassa?
Lyhyt vastaus: ei, ei jatkuvaa palvelua varten.Yli 1100 asteen lämpötilassa Cr2O3-suojavaaka alkaa muuttua haihtuvaksi CrO3:ksi hapettavassa ympäristössä menettäen nopeasti suojaavansa. Virumisnopeudet tulevat myös epäkäytännöllisen korkeiksi (rikkoilut tuhansissa tunneissa mieluummin kuin kymmenissä tuhansissa). Yli 1100 asteen huoltoa varten määritä Alloy 601 (alumiinia{5}}muovaava), Alloy 602CA tai keraaminen{7}}vuorattu järjestelmä.
Q3: Mikä standardi säätelee 310S uunin putken paksuuden suunnittelua jalostamossa?
API-standardi 530("Calculation of Heater{0}}Tube Thickness in Petroleum Refineries", 7. painos) on ensisijainen standardi. Se määrittelee sallitut jännitykset 310S:lle sekä kimmo- että ryömimä{4}}murtumistilassa. API 530:n liite C tarjoaa tarvittavat aika-lämpötilojen murtumiskäyrät rajoitetuissa virumisolosuhteissa (putken metallin lämpötila > 900 astetta). ASME BPVC Section II Osa D sisältää API 530 -laskelmissa käytetyt sallitut jännitysarvot.
Q4: Mitä eroa on 310S:n ja 310H:n välillä uuniputkisovelluksissa?
310S (UNS S31008):Hiili Vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,08 %. Suositellaan, kun hitsattavuus, herkkyydenkestävyys ja kenttähitsauksen helppous ovat etusijalla. Hieman alempi virumislujuus kuin 310H.
310H (UNS S31009):Hiiltä 0,04–0,10 %. Valitaan, kun vaaditaan suurinta virumislujuutta (esim. korkeapaineiset säteilyputket, pitkät jännevälit). Hitsaus vaatii tiukempaa valvontaa. Molemmilla luokilla on sama Cr- ja Ni-pitoisuus.
Lopullinen johtopäätös:Määritä oletusasetukseksi 310S; päivitä 310H:iin vain, kun ryömintäikälaskelma osoittaa riittämättömän jäljellä olevan marginaalin 310S:llä.
K5: Vaatiiko 310S jälki-hitsauksen lämpökäsittelyä (PWHT)?
Ei - PWHT:tä ei yleensä vaadita 310S:ssä, ja se on mahdollisesti haitallista. 310S:n kuumentaminen alueella 600–900 astetta PWHT:n aikana voi saostaa hauraita sigmafaasia ja kromikarbideja. As-hitsattu kunto on tyypillisesti hyväksyttävä useimmissa petrokemian palveluissa. Jos jäännösjännityksen poistaminen on välttämätöntä (esim. voimakas syklinen lämpökuormitus), ota yhteyttä hitsausmetallurgiin ennen lämpökäsittelyä.
Q6: Mitkä ovat sovellettavat ASTM-standardit 310S-uuniputkien hankinnassa?
Ensisijaiset ASTM-standardit ovat: ASTM A213 / ASME SA-213 (saumattomat putket kattiloihin ja lämmönvaihtimiin) TP310S:lle ja ASTM A249 / ASME SA-249 (hitsatut putket) TP310S:lle. Liittyviin putkiin sovelletaan ASTM A312 / ASME SA-312 (laatu TP310S). Kaikkien ASME Coden rakentamiseen hankittujen materiaalien on sisällettävä Mill Test Report (MTR) ASTM A450 -standardin mukaisesti (yleiset vaatimukset putkille), jossa on täydellinen kemiallinen analyysi ja mekaaniset testitulokset.
Q7: Kuinka usein 310S-uuniputket tulee tarkastaa jalostamopalvelussa?
API RP 573("Käteilevien kattiloiden ja lämmittimien tarkastus") suosittelee ulkoista visuaalista ja UT-paksuuden tarkastusta vähintään 2–4 vuoden välein tai jokaisen suunnitellun huoltovaiheen yhteydessä - sen mukaan, kumpi tulee ensin. Jatkuvasti yli 950 asteen kulmassa tai syövyttävässä ympäristössä toimivat putket tulee tarkastaa useammin. Jäljellä oleva-elämänarviointi API 530 Larson-Millerin lähestymistapaa käyttäen tulee päivittää jokaisessa tarkastuksessa käyttölokien ja tietohistorioitsijoiden todellisen lämpötilahistorian perusteella.
