• 310S (UNS S31008) היא פלדת אל-חלד אוסטניטית -סטנדרטית בתעשייה עבור צינורות תנורים פטרוכימיים המדורגים לשירות רציף של 1100 מעלות.
• הרכב 25% Cr / 20% Ni שלו יוצר אבנית תחמוצת Cr₂O₃ צפופה-מתוקנת בעצמה החוסמת את חדירת החמצן והגופרית.
• עובי הקיר חייב להיות מחושב תחת כללי הפריצה-של API 530 ברגע שטמפרטורת המתכת עולה על 900 מעלות.
• עבור שירות מעל 1050 מעלות או באווירה כבדה של קרבוריזציה/סולפידינג, שדרג ל-310H, HK40, או Alloy 601.
• כל צינורות התנור בשירות בתי הזיקוק דורשים בדיקת UT תקופתית לפי API RP 573 כל 2-4 שנים.
310S מפתח פרמטרים
| פרמטר מפתח | ערך / מפרט |
| ייעוד סגסוגת | UNS S31008 / AISI 310S / EN 1.4845 |
| תוכן כרום | 24.0 - 26.0% משקל |
| תוכן ניקל | 19.0 - 22.0% משקל |
| טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית. | 1100 מעלות (2012 מעלות F) באוויר |
| טמפרטורת שירות לסירוגין מקסימלית. | 1050 מעלות (1922 מעלות פרנהייט) בשירות רכיבה על אופניים |
| מגבלת התנגדות לחמצון | עד 1150 מעלות (אטמוספרה מחמצנת קלה) |
| תקן מנהלי ראשי | ASTM A213 / ASME SA-213 (צינורות ללא תפרים) |
| חוזק מתיחה מינימלי (RT) | גדול או שווה ל-515 MPa (74.8 ksi) |
| חוזק תשואה מינימלי (RT) | גדול או שווה ל-205 MPa (29.7 ksi) |
| מינימום התארכות (RT) | גדול או שווה ל-35% |
| חדר-קשיות טמפרטורה | פחות או שווה ל-187 HBW |
| צְפִיפוּת | 7.90 גרם/ס"מ³ |
| מוליכות תרמית (20 מעלות) | 15.9 W/(m·K) |
| מקדם התפשטות תרמית | 16.0 × 10⁻⁶/מעלה (20-1000 מעלות) |
מקורות: ASTM A213/ASME SA-213, ASTM A240; ASM Handbook Vol. 2 - מאפיינים ומבחר: סגסוגות לא ברזליות וחומרים למטרות מיוחדות; EN 10216-5; דוחות בדיקת טחנה שאושרו על ידי יצרן.
מָבוֹא
צינורות תנורים פטרוכימיים הם בין הרכיבים התובעניים ביותר מבחינה תרמית בכל מפעל תהליכים. תנורי חימום מופעלים בזיקוק גולמי, רפורמת נפטא ופיצוח אתילן חושפים באופן שגרתי את מתכת הצינור לטמפרטורות שבין 800 מעלות ל-1100 מעלות תוך נשיאת נוזלי פחמימנים בלחץ. בחירה בסגסוגת הלא נכונה מובילה לחמצון מואץ, כשל זחילה, או קרע קטסטרופלי של צינור - אירועי התפרקות, אירועי שריפה, אירועי שריפה, אירועי שריפה, אירועי שריפה, אירועי שריפה. ופיצוצים.
בחירה בסגסוגת שצוינה יותר מ-מבזבזת הון שלא לצורך. 310S יושבת במקום המתוק עבור טווח טמפרטורות זה: היא מציעה עמידות מספיקה לחמצון עד 1100 מעלות, חוזק זחילה מקובל, יכולת ריתוך מצוינת ועלות חומר הרבה מתחת לסגסוגות העל על בסיס ניקל-.
מדריך זה מסבירמה זה 310S, למה הוא עובד ב-1100 מעלות, איך לעצב איתו ומתי לבחור אלטרנטיבה.טבלאות הנתונים מקורן בתקנים מוכרים בינלאומיים ומספרות-בביקורת עמיתים כדי לתמוך בהחלטות הנדסיות.
מה זה נירוסטה 310S?
הרכב כימי
310S היא פלדת אל-חלד מסגסוגת גבוהה-אוסטניטית (במרכז-מעוקב). התכונה המגדירה שלו היא תכולת כרום וניקל גבוהה במיוחד בהשוואה לדרגות נפוצות כמו 304 או 316. טבלה 2.1 מציגה את מגבלות ההרכב לפי ASTM A240 ו-ASME SA-240.
| אֵלֵמֶנט | C | Mn | סִי | P | S | Cr | ני |
| מקסימום / טווח (%) | פחות או שווה ל-0.08 | פחות או שווה ל-2.00 | פחות או שווה ל-1.50 | פחות או שווה ל-0.045 | פחות או שווה ל-0.030 | 24.0–26.0 | 19.0–22.0 |
טבלה 2.1 - הרכב כימי של 310S (UNS S31008). מקור: ASTM A240 / ASME SA-240, טבלה 1; ASTM A213 / ASME SA-213, טבלה 1.
למה 25% כרום ו-20% ניקל?
Chromium (Cr):בריכוזים מעל ~20% משקל, כרום מגיב בצורה מועדפת עם חמצן ליצירת אבנית דקה, נצמדת ו-מתוקנת עצמית של תחמוצת כרום (Cr₂O₃) על פני הפלדה. סולם זה פועל כמחסום דיפוזיה, ומאט באופן דרמטי את חמצון נוסף. עם 24-26% Cr, 310S יוצר קנה מידה חזק שנשאר מגן עד כ-1150 מעלות באטמוספרות חמצון נקיות.
ניקל (ני):ניקל מייצב את מבנה הגביש המעוקב (אוסטניט) במרכז הפנים בכל הטמפרטורות עד לקריאוגני. זה מונע את הטרנספורמציה של הגוף השביר-מעוקב (מרטנזיט) שאחרת הייתה מתרחשת בפלדות פריטיות גבוהות-Cr. ניקל גם משפר את העמידות בפני קרבוריזציה - עניין קריטי בתנורי רפורמר ופיצוח שבהם קיימים אדי פחמימנים.
פחמן נמוך (פחות או שווה ל-0.08%):הכינוי 'S' ב-310S מייצג 'פחמן נמוך'. הגבלת פחמן למקסימום של 0.08% משקל מדכאת משקעים (רגישות) של קרביד באזור-מושפע החום במהלך הריתוך, ומשמרת עמידות בפני קורוזיה וגמישות. זה חשוב במיוחד עבור חיבורי צינור מרותכים בשדה- בבניית תנורים.
מאפיינים מכניים-בטמפרטורה גבוהה
הנדסת צינור תנור דורשת הבנה כיצדפלדה 310Sמתנהג בטמפרטורות גבוהות - לא רק בטמפרטורת החדר. שני מצבי כשל שולטים בטמפרטורות מעל 800 מעלות: (א) חמצון/קורוזיה של דופן הצינור ו-(ב) קרע זחילה בעומס לחץ מתמשך.
נתוני מתיחה וזחילה בטמפרטורות גבוהות
טבלה 3.1 מסכמת את המאפיינים המכאניים של-הטמפרטורה המוגברת ונתוני השבר-זחילה עבור 310S. ערכי המתיחה הם נתונים מייצגים מ-ASM Handbook ודוחות בדיקה של היצרן. מתחי הקרע-מייצגים את הלחץ הנדרש כדי לגרום לקרע בטמפרטורה המצוינת בפרק הזמן הנתון.
| טֶמפֶּרָטוּרָה | חוזק מתיחה (MPa) | 0.2% חוזק תשואה (MPa) | התארכות (%) | מתח קרע זחילה 100 שעות (MPa) | מתח קרע זחילה 10,000 שעות (MPa) |
| טמפ' חדר. (20 מעלות) | גדול או שווה ל-515 | גדול או שווה ל-205 | גדול או שווה ל-35 | - | - |
| 600 מעלות (1112 מעלות F) | ~330 | ~175 | ~40 | - | - |
| 700 מעלות (1292 מעלות F) | ~270 | ~155 | ~42 | ~70 | ~40 |
| 800 מעלות (1472 מעלות F) | ~190 | ~120 | ~45 | ~38 | ~18 |
| 900 מעלות (1652 מעלות F) | ~110 | ~85 | ~50 | ~16 | ~6 |
| 1000 מעלות (1832 מעלות F) | ~60 | ~50 | ~55 | ~7 | ~2 |
| 1100 מעלות (2012 מעלות F) | ~32 | ~28 | ~60 | ~2.5 | < 1 |
טבלה 3.1 - תכונות-מוגברות של טמפרטורה מכאנית וזחילה-של 310S (UNS S31008). מקורות: ASM Handbook Vol. 2 (מהדורה שנייה); ASME BPVC Section II Part D (Subpart 3, Table 1-100); היצרן הוציא דפי נתונים בטמפרטורה גבוהה. הערכים מייצגים; השתמש בלחצים מותרים ASME עבור חישובי קוד.
מה המשמעות של 'זחילה' עבור מהנדס צינורות תנור?
זחילה היא עיוות איטי וקבוע של מתכת תחת לחץ מתמשך בטמפרטורה גבוהה - גם כאשר הלחץ הוא הרבה מתחת לחוזק התפוקה המקובל. עבור צינור תנור, הזחילה מתבטאת בהתדלדלות הדרגתית של הקירות ("בליטה") ובסופו של דבר, קרע אם חורגים מאורך חיי התכנון. ב-1100 מעלות, 310S שומר רק כ-2-3 MPa מתח קרע- למשך חיי עיצוב של 10,000 שעות.
משמעות הדבר היא שצינורות תנור הפועלים ב-1100 מעלות חייבים להיות מתוכננים עם לחץ פנימי נמוך מאוד, קירות דקים או מרווחי שירות קצרים. API 530 מספק את המסגרת ההנדסית לחישוב עובי הצינור המותר במשטר זה.
עמידות בפני חמצון וקורוזיה ב-1100 מעלות
מנגנון התנגדות לחמצון
כאשר 310S נחשף לראשונה לסביבת חמצון בטמפרטורה- גבוהה, הכרום מתפזר אל פני השטח ומתחמצן באופן סלקטיבי, ויוצר שכבת Cr₂O₃ דקה (1-5 מיקרומטר) ונצמדת. לאחר הקמה, שכבה זו גדלה באופן פרבולי - כלומר קצב הגדילה יורד עם הזמן כאשר שכבת התחמוצת עצמה הופכת למחסום דיפוזיה. התוצאה היא חומר שמתחמצן לאט במשך שנים בתנאי הפעלה קבועים.
נתוני חמצון עיקריים (מקור: Industeel ArcelorMittal SIRIUS 310S גליון נתונים; ASM Handbook Vol. 13C):
• שירות רציף באוויר יבש: עד 1100 מעלות (מקורות מסוימים מציינים 1150 מעלות לאווירה נקייה).
• שירות לסירוגין (מחזורי): הגבל ל-1050 מעלות מכיוון שרכיבה תרמית חוזרת ונשנית גורמת להתפרקות אבנית התחמוצת המגינה.
• טמפרטורה מחזורית מקסימלית עבור תנאי רכיבה קלים: 1050 מעלות, עם קצבי הרמפה מבוקרים מתחת ל-200 מעלות לשעה.
• באטמוספרות עם תכולת גופרית של מעל 2 גרם/מ"ר: הגבול העליון יורד ל-~1000 מעלות (גיליון נתונים של אינדוסטייל SIRIUS 310S).
עמידות בפני קרבוריזציה וסולידציה
מעבר לחמצון פשוט, סביבות תנורים פטרוכימיים מכילים לרוב גזים פחמיים (CO, CH₄, C₂H₄) ותרכובות גופרית (H₂S, SO₂). אלה תוקפים פלדות אל חלד באמצעות מנגנונים שונים:
קרבוריזציה: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 + תוספת אלומיניום) עדיפים.
גופרית:תרכובות גופרית מגיבות עם כרום וניקל ויוצרות שלבי גופרית נמוכים-שיכולים לחדור לסקלת התחמוצת. 310S מתמודדת עם סביבות נמוכות-גופרית (< 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.
השוואת חומרים: 310S לעומת סגסוגות מתחרות
לא כל יישום צינור תנור דורש 310S. טבלה 5.1 משווה את 310S לחמש חלופות שצוינו בדרך כלל על פני ממדים שחשובים למהנדסי פטרוכימיה.
| נֶכֶס | 310S (UNS S31008) | 310H (UNS S31009) | 321H (UNS S32109) | HK40 (UNS J94204) | סגסוגת 800H (UNS N08810) | Alloy 601 (UNS N06601) |
| Cr (Wt%) | 24–26 | 24–26 | 17–19 | 26–30 | 19–23 | 21–25 |
| Ni (Wt%) | 19–22 | 19–22 | 9–12 | 19–22 | 30–35 | 58–63 |
| C (מקסימום, משקל%) | 0.08 | 0.04–0.10 | 0.08 | 0.35–0.45 | 0.10 | 0.10 |
| מקסימום המשך טמפ' (תואר) | 1100 | 1150 | 925 | 1150 | 1100 | 1200 |
| התנגדות לחמצון | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| התנגדות לקרבוריזציה. | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| חוזק זחילה @ 1000 מעלות | לְמַתֵן | טוֹב | נָמוּך | גָבוֹהַ | טוֹב | מְעוּלֶה |
| רְתִיכוּת | מְעוּלֶה | טוֹב | טוֹב | קָשֶׁה | טוֹב | טוֹב |
| עלות חומר יחסית | נָמוּך | נָמוּך | בֵּינוֹנִי | בֵּינוֹנִי | גָבוֹהַ | גבוה מאוד |
| יישום טיפוסי | צינורות תנור, צינורות קורנים | לזחול-חלקי תנור קריטיים | צינורות דוד (פחות או שווה ל-925 מעלות) | צינורות לחידוש קיטור | סלילי פירוליזה/פיצוח | שירות חמצון קיצוני |
טבלה 5.1 - השוואת סגסוגת עבור שירות צינורות תנורים פטרוכימיים. ★ דירוגים הם הערכות איכותיות המבוססות על נתוני חמצון וקורוזיה שפורסמו. מקורות: ASM Handbook Vol. 13C - קורוזיה: סביבות ותעשיות; תאגיד מתכות מיוחדות (סגסוגת 800H, עלונים טכניים סגסוגת 601); תקנים בינלאומיים ASTM; גיליונות נתונים טכניים של היצרן. דירוגי העלויות הם יחסיים ותלויים- בשוק.
310S לעומת. 310H: מתי לבחור באיזה?
זו השאלה הנפוצה ביותר במפרט צינורות תנור.התשובה היא פשוטה: השתמש ב-310S כאשר ריתוך ועמידות בפני רגישות הם החששות העיקריים (לדוגמה, החלפת צינור מרותך בשדה-); השתמש ב-310H כאשר נדרש חוזק זחילה מרבי והריתוך נעשה בתנאי חנות מבוקרים.
ל-310H (UNS S31009) תכולת פחמן של 0.04–0.10% - גבוהה מ-310S. פחמן נוסף זה מספק פתרון מוצק- וחיזוק קרביד המשפר את עמידות הזחילה בכ-20-30% ב-900-1000 מעלות. ההחלפה- היא סיכון גבוה יותר למשקעי קרביד באזור המושפע{14}}בחום במהלך הריתוך (רגישות). מסיבה זו, ריתוך 310H דורש בדרך כלל בקרות חימום מוקדם ו-PWHT מחמירות יותר.
שאלות נפוצות (שאלות נפוצות)
השאלות הבאות מופקות מייעוץ הנדסי ומייצגות את השאילתות הנפוצות ביותר לגבי 310S בשירות צינורות תנורים פטרוכימיים.
ש1: מהי טמפרטורת השירות המקסימלית עבור נירוסטה 310S?
טמפרטורת השירות הרציפה המקסימלית עבור 310S (UNS S31008) באוויר היא1100 מעלות (2012 מעלות 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 גרם/מ"ר), הגבול יורד ל-~1000 מעלות . מגבלות אלו מבוססות על נתוני בדיקות חמצון שפורסמו על ידי Industeel ArcelorMittal ויצרני סגסוגות בתעשייה.
ש 2: האם ניתן להשתמש ב-310S מעל 1100 מעלות?
תשובה קצרה: לא, לא לשירות מתמשך.מעל 1100 מעלות, סולם ההגנה Cr₂O₃ מתחיל לעבור ל-CrO₃ נדיף בסביבות מחמצנות, ומאבד במהירות את תפקודו המגן. גם שיעורי הזחילה הופכים גבוהים באופן בלתי מעשי (חיי קרע באלפי שעות ולא בעשרות אלפים). עבור שירות מעל 1100 מעלות, ציין Alloy 601 (ליצירת אלומינה), Alloy 602CA, או מערכת מרופדת-קרמית.
ש 3: איזה תקן קובע את עיצוב עובי צינור כבשן 310S בבית זיקוק?
API Standard 530("חישוב של מחמם-עובי צינור בבתי זיקוק נפט", מהדורה 7) הוא הסטנדרט העיקרי. הוא מגדיר מתחים מותרים עבור 310S הן במשטר האלסטי והן במשטר השבר-. לתנאי זחילה-מוגבלים (טמפרטורת מתכת צינור > 900 מעלות), API 530 נספח C מספק את עקומות קריעת הטמפרטורה הנדרשות בזמן-. ASME BPVC סעיף II חלק D מספק את ערכי הלחץ המותרים הבסיסיים המשמשים בחישובי API 530.
ש 4: מה ההבדל בין 310S ל-310H עבור יישומי צינור תנור?
310S (UNS S31008):פחמן פחות או שווה ל-0.08%. עדיף כאשר ריתוך, עמידות בפני רגישות וקלות ריתוך בשטח הם בראש סדר העדיפויות. חוזק זחילה נמוך מעט מ-310H.
310H (UNS S31009):פחמן 0.04–0.10%. נבחר כאשר נדרש חוזק זחילה מרבי (למשל, צינורות קרינה בלחץ גבוה-, טווחים ארוכים). ריתוך דורש בקרות מחמירות יותר. שתי הכיתות חולקות את אותו תוכן Cr ו-Ni.
מסקנה סופית:ציין 310S כברירת מחדל; שדרג ל-310H רק כאשר חישוב חיי זחילה מראה שאין מספיק מרווח עם 310S.
ש 5: האם 310S דורש טיפול בחום לאחר-ריתוך (PWHT)?
לא - PWHT בדרך כלל אינו נדרש עבור 310S, והוא עלול להזיק. חימום 310S בטווח של 600-900 מעלות במהלך PWHT יכול לזרז שלב סיגמה שביר וכרום קרבידים. המצב כמו-מרותך מקובל בדרך כלל עבור רוב השירותים הפטרוכימיים. אם יש צורך בהקלת מתח שיורית (למשל, עומס תרמי מחזורי חמור), התייעץ עם מטלורג ריתוך לפני יישום כל טיפול בחום.
ש6: מהם תקני ASTM החלים לרכישת צינורות תנור 310S?
תקני ASTM העיקריים הם: ASTM A213 / ASME SA-213 (צינורות ללא תפרים לדוודים ומחלפי חום) עבור כיתה TP310S, ו-ASTM A249 / ASME SA-249 (צינורות מרותכים) עבור כיתה TP310S. עבור צנרת קשורה, חל ASTM A312 / ASME SA-312 (דרגה TP310S). כל החומרים שנרכשו עבור בניית קוד ASME חייבים לכלול דוח בדיקה של מיל (MTR) לפי ASTM A450 (דרישות כלליות לצינורות) עם ניתוח כימי מלא ותוצאות בדיקה מכניות.
ש 7: באיזו תדירות יש לבדוק את צינורות הכבשן 310S בשירות בתי הזיקוק?
API RP 573("בדיקת דוודים ותנורי חימום") ממליצה על בדיקת חזותית חיצונית ובדיקת עובי UT בתדירות מינימלית של כל 2-4 שנים, או בכל סבב תחזוקה מתוכנן - המוקדם מביניהם. יש לבדוק בתדירות גבוהה יותר צינורות הפועלים ברציפות מעל 950 מעלות, או באווירה קורוזיבית. הערכות החיים הנותרות-בשימוש בגישת ה-API 530 Larson-יש לעדכן בכל בדיקה בהתבסס על היסטוריית הטמפרטורה בפועל מיומני הפעלה והיסטוריונים של נתונים.
