310S vs Incoloy 800 : sélection d'alliages résistants à la chaleur-pour les applications de fours et de fours

Introduction

Les ingénieurs en four, en four et en-traitement thermique sont régulièrement confrontés à la même décision en matière de matériaux : choisir un acier inoxydable-efficace et résistant à la chaleur-, ou passer à un alliage de nickel-fer-chrome conçu pour une résistance soutenue à haute température-.Acier inoxydable 310Set Incoloy 800 (y compris les variantes 800H et 800HT) sont les deux candidats les plus couramment comparés pour cette décision. Les deux résistent à l'oxydation à haute température, les deux sont facilement fabriqués et soudés, et tous deux apparaissent régulièrement dans les portes de four, les moufles, les tubes radiants et les appareils de traitement thermique-.

Cependant, leurs performances divergent fortement lorsque les atmosphères de carburation, les charges mécaniques soutenues ou les longs intervalles d'entretien entrent en ligne de compte. Cet article compare les deux alliages en termes de composition, de tenue en température, de résistance à l'oxydation et à la carburation, de résistance au fluage-, aux exigences de fabrication et au coût total de possession, afin que les ingénieurs et les acheteurs puissent adapter l'alliage à l'application plutôt que l'inverse.

Qu'est-ce qui distingue le 310S de l'Incoloy 800 sur le plan métallurgique ?

La différence de composition est à l'origine de chaque différence de performances en aval évoquée dans cet article.. 310Le S contient du chrome comme élément d'alliage principal et du nickel comme stabilisant secondaire de l'austénite. C'est pourquoi il est classé comme acier inoxydable plutôt que comme alliage de nickel. L'Incoloy 800 inverse ce rapport : le nickel est l'ajout majoritaire d'alliage, le chrome est secondaire et le fer constitue l'équilibre plutôt que d'être le métal de base. La teneur plus élevée en nickel est ce qui confère aux alliages de la série 800- leur résistance à la diffusion du carbone et leur résistance conservée à la température - mais le nickel est également la matière première la plus chère, c'est pourquoi les produits de la série Incoloy 800 présentent un coût supérieur persistant par rapport au 310S.

Source : ASTM A240/A480 (310S) ; Spécifications des usines ASTM B407/B408/B409 et UNS N08810 (Incoloy 800H). Les plages sont des limites de spécification nominales ; vérifier par rapport au rapport d'essai actuel de l'usine.

Deux autres détails de composition sont importants pour l’entretien du four. Premièrement, le 310S est une variante à faible-carbone du grade standard 310 (qui autorise jusqu'à 0,25 % de carbone) ; la teneur plus faible en carbone du 310S améliore la résistance à la sensibilisation et à la corrosion intergranulaire après soudage. Deuxièmement, l'Incoloy 800H est lui-même une variante à taille de grain contrôlée -carbone et -de taille de grain-de l'Incoloy 800 de base, et l'Incoloy 800HT renforce encore la gamme de l'aluminium-plus-titane - les deux raffinements existent spécifiquement pour augmenter la résistance au fluage-à la rupture pour le service de chauffage des fours et des procédés-, qui est discuté dans la section 4.

Quel alliage résiste à des températures de fonctionnement continues plus élevées ?

Le 310S est généralement évalué pour une résistance continue à l'oxydation jusqu'à environ 2 000 degrés F (1 093 degrés) et pour un service intermittent ou légèrement cyclique dans une plage similaire, en raison de sa teneur élevée en chrome. Le limiteur pratique du 310S dans les fours et les fours n'est pas l'échelle d'oxyde - c'est la formation de phase sigma-. Après une exposition prolongée entre environ 1 200 degrés F et 1 650 degrés F (650 à 900 degrés), les aciers inoxydables de la famille 310- peuvent former une phase sigma intermétallique fragile qui réduit la ténacité et la ductilité à température ambiante. Les équipements qui traversent cette plage de température de manière répétée, tels que les portes de four et les composants de brûleurs, sont plus exposés à cet effet que les équipements qui fonctionnent en permanence au sommet de la plage de température.

Incoloy 800Het 800HT sont conçus pour un service à long terme-jusqu'à environ 2 000 degrés F (1 093 degrés), avec des excursions de courte durée-au-delà de cette valeur au prix d'une perte de résistance et d'une oxydation accélérées. Étant donné que les alliages de la série 800-sont recuits en solution-à un minimum de 2 100 degrés F (1 149 degrés) pour produire une structure de grain plus grossière et plus résistante au fluage-, et parce que leur teneur plus élevée en nickel supprime le même mécanisme de phase sigma qui affecte le 310S, ils ont tendance à conserver une ductilité et une ténacité utilisables sur une partie plus large de la plage de fonctionnement du four, y compris grâce à des cycles thermiques répétés.

Quel alliage offre une meilleure résistance aux atmosphères oxydantes et carburantes ?

La résistance à l'oxydation des deux alliages provient principalement du chrome, qui forme une couche protectrice d'oxyde de chrome-à haute température. 310S contient en fait plus de chrome que l'Incoloy 800H (environ 25 % contre environ 21 %), ce qui explique en partie pourquoi le 310S reste un produit performant et économique dans les atmosphères oxydantes propres telles que les fours à air, les enveloppes de four et le matériel de brûleur.

La résistance à la carburation est un mécanisme différent, et c’est là que les deux alliages divergent le plus fortement. Le transfert de carbone vers la surface métallique à partir d'une atmosphère riche en carbone- dépend fortement de la teneur en nickel, car le nickel a une très faible solubilité pour le carbone et ralentit sa diffusion vers l'intérieur. Les données de terrain sur les tubes 800H dans le service de traitement des hydrocarbures de carburation-montrent que l'alliage conserve sa ductilité et son intégrité structurelle après des années d'exposition, dans des conditions dans lesquelles les aciers inoxydables de la famille des -nickel 310-se carburent sensiblement plus rapidement. C'est la principale raison pour laquelle l'Incoloy 800H est le matériau actuel pour les tubes de pyrolyse d'éthylène, les composants des fours de craquage d'hydrocarbures et les paniers et accessoires de traitement thermique qui subissent des cycles de carburation répétés.

Les comparaisons publiées des taux de corrosion-dans les environnements de fours de raffinerie illustrent l'écart : les alliages Incoloy 800H/800HT ont été mesurés à environ 0,15 mm/an (6,0 mpy), contre environ 0,23 mm/an (8,9 mpy) pour l'acier inoxydable de la famille 310 dans des conditions comparables. Un taux de corrosion plus faible se traduit directement par une durée de vie plus longue des composants et par une diminution des arrêts imprévus pour inspection ou remplacement.

Comment se comparent la résistance au fluage et à la contrainte-à la rupture à température élevée ?

Le fluage est la déformation lente et dépendante du temps du métal sous une charge soutenue à haute température, et la résistance à la rupture sous contrainte décrit la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se fracturer après un nombre d'heures de service donné. Cette propriété est importante pour tout composant du four qui est sous charge lorsqu'il est chaud - un tube radiant sous pression interne, un support supportant un réfractaire ou un serpentin dans un four de pyrolyse - par opposition aux composants qui sont simplement exposés à la chaleur sans charge mécanique significative, comme un revêtement de moufle ou un bouclier.

Le 310S offre une résistance à la rupture modérée au fluage-, adéquate pour les composants légèrement chargés. Les Incoloy 800H et 800HT ont été spécialement développés pour prolonger la durée de vie en cas de rupture par fluage-au-delà de ce que fournissent les aciers inoxydables standards de la famille 800 ou 310-, grâce à une teneur en carbone contrôlée (0,05 à 0,10 %) et un recuit de solution à gros grains-à un minimum de 2 100 degrés F (1 149 degrés). L'Incoloy 800HT renforce en outre les spécifications de l'aluminium-et-du titane, pour les applications exigeant la durée de vie pratique la plus longue sous des contraintes soutenues à haute température, telles que les tubes de four en éthylène et les serpentins de pyrolyse.

Source : Compilé à partir des données des spécifications ASTM A240/B407/B409 et des études publiées sur le taux de corrosion à haute température-taux de corrosion-et les propriétés mécaniques-pour le 310/310H et l'Incoloy 800H/800HT dans les raffineries et les fours. Vérifiez les permis de conception par rapport à l'actuelle ASME Section II Partie D ou à l'édition de code applicable avant la spécification finale.

Quelle est la différence de coût et quand la prime est-elle justifiée ?

Le nickel est systématiquement le principal facteur de tarification des suppléments d'alliage pour les deux matériaux, mais l'Incoloy 800H/HT contient environ 50 % de nickel en plus en poids que le 310S, et le nickel se négocie généralement à un multiple significatif du chrome et du fer qui constituent la majeure partie de la teneur en alliage du 310S. Cela fait des alliages de la série 800-l'achat le plus cher sur une base par-livre ou par-pied linéaire, avant même d'envisager la fabrication.

Le cadre décisionnel qui découle de la comparaison technique ci-dessus est simple. Spécifiez 310S lorsque le composant est exposé à une atmosphère oxydante propre, à une charge mécanique légère ou inexistante et à des attentes de durée de vie de service modérées. -espérances de vie - les coques de four, les portes, les ventilateurs et les boucliers non-portants-sont des ajustements courants. Spécifiez Incoloy 800H ou 800HT lorsque le composant est soumis à une charge soutenue à température, exposé à une atmosphère de carburation ou de sulfuration, ou lorsque le coût d'un arrêt imprévu pour remplacer un composant défectueux dépasse considérablement le coût du matériau.

En quoi les exigences en matière de fabrication, de soudage et de traitement thermique diffèrent-elles ?

Le 310S est recuit en solution-dans une plage de 1 900 à 2 100 degrés F (1 030 à 1 150 degrés) suivi d'un refroidissement rapide, qui remet les carbures en solution et maximise la résistance à la corrosion. Si l'équipement de la famille 310-a connu un service prolongé au-dessus de 1 200 degrés F (650 degrés) et qu'une phase sigma s'est formée, la ductilité peut généralement être restaurée avec le même cycle de recuit de solution- ; un recuit après environ toutes les 1 000 heures de service au-dessus de 1 200 degrés F est un intervalle de maintenance couramment cité pour les équipements sujets à la formation de sigma.

Incoloy 800H et 800HT nécessitent un recuit en solution à un minimum de 2 100 degrés F (1 149 degrés) - sensiblement plus élevé que le recuit utilisé pour 310S - spécifiquement pour produire une structure de grain plus grossière (généralement une taille de grain ASTM No. 5 ou plus grossière) qui améliore la durée de vie en cas de rupture par fluage-. Les deux alliages sont soudables par des procédés standard à l'arc au tungstène sous gaz et à l'arc métallique blindé avec un métal d'apport correspondant ou presque correspondant, et les deux sont formés à froid de manière conventionnelle, bien que les alliages de la série 800 puissent afficher une texture de surface caractéristique (« peau d'orange ») après un formage à froid important en raison de leur granulométrie plus grossière.

Quel alliage devriez-vous spécifier pour les composants courants des fours et des fours ?

Source : Orientations générales de sélection basées sur les propriétés documentées des alliages et les pratiques courantes en matière de fours industriels. La sélection spécifique aux composants-doit tenir compte de la chimie réelle de l'atmosphère, de la pression nominale, de la fréquence des cycles thermiques et du code de conception applicable.

Foire aux questions

Q : Le 310S et l’Incoloy 800H peuvent-ils être utilisés de manière interchangeable dans le même four ?

R : Pas généralement. Ils ont des taux de dilatation thermique différents et un comportement au fluage différent, donc les mélanger dans un seul assemblage soudé sous charge peut créer des contraintes différentielles. Lorsque les deux alliages apparaissent dans le même four, ils sont généralement utilisés dans des composants séparés et supportés indépendamment -, par exemple une coque 310S avec un tube interne en Incoloy 800H.

Q : L'Incoloy 800 est-il le même que l'Incoloy 800H ou 800HT ?

R : Non. La norme Incoloy 800 (UNS N08800) permet une gamme de carbone plus large et ne supporte pas le recuit en solution à gros grains-à haute-température qui confère au 800H (UNS N08810) et au 800HT (UNS N08811) leur résistance supérieure à la rupture au fluage-. Dans les spécifications actuelles des fours et des réchauffeurs de processus-, les modèles 800H et 800HT ont largement remplacé le modèle 800 standard.

Q : Le 310S nécessite-t-il un traitement thermique après-soudage ?

R : Pas pour la résistance à la corrosion dans la plupart des applications de four, car le 310S est une qualité à faible-carbone avec une bonne résistance à la sensibilisation liée aux soudures-. Si l'équipement connaît un service prolongé dans la plage de formation de la phase sigma--, un recuit périodique de mise en solution - et non un soulagement des contraintes - est le traitement correctif approprié, et non une exigence de routine après le soudage-.

Q : Quelle est la limite de température pratique pour un service continu du 310S ?

R : Environ 2 000 degrés F (1 093 degrés) pour un service oxydant continu, avec la mise en garde que l'équipement passant par la plage de 1 200 à 1 650 degrés F (650 à 900 degrés) à plusieurs reprises est exposé à une fragilisation en phase sigma-au fil du temps et doit être évalué pour un recuit périodique.

Q : Pourquoi la teneur en nickel est-elle si importante pour la résistance à la carburation ?

R : Le carbone a une très faible solubilité dans le nickel et s’y diffuse plus lentement que dans le fer ou le chrome. Étant donné que l'Incoloy 800H contient environ 30 à 35 % de nickel contre environ 19 à 22 % pour le 310S, le carbone pénètre sa surface plus lentement dans des conditions de carburation identiques, ce qui est la principale raison pour laquelle le 800H surpasse les aciers inoxydables de la famille 310 dans les atmosphères des fours de carburation.