Acier inoxydable Incoloy 800 vs 310S : coût et performances des fours de craquage d'éthylène

Les fours de craquage d'éthylène fonctionnent dans certains des environnements métallurgiques les plus difficiles de l'industrie de transformation : des températures des métaux supérieures à 900 degrés, une atmosphère riche en carbone- provenant des hydrocarbures et du coke craqués, et des années de cycles thermiques continus entre le fonctionnement et le décokage. Choisir le mauvais alliage pour un composant de four ne réduit pas seulement sa durée de vie -, il peut également déclencher un arrêt imprévu qui coûte bien plus cher à un opérateur de craqueur que le matériau lui-même.

Incoloy 800(UNS N08800)etAcier inoxydable 310S(UNS S31008) sont les deux alliages les plus couramment comparés pour les supports de tubes, les supports, les déflecteurs et les pièces d'échangeur de ligne de transfert non-matériel de four radiant -. Ce guide répond aux questions que les ingénieurs se posent réellement lors de la spécification entre elles, avec d'abord une réponse claire et le raisonnement technique qui la sous-tend.

Que sont l’acier inoxydable Incoloy 800 et 310S ?

L'Incoloy 800 est un alliage de nickel-fer-chrome construit autour d'une teneur élevée en nickel pour une résistance à la corrosion à haute-température ; Le 310S est un acier inoxydable austénitique à haute teneur en chrome, conçu pour résister à l'oxydation à un coût de matériau inférieur.

Incoloy 800(et ses variantes à plus forte teneur en carbone 800H et 800HT) est un alliage de chrome-solution-renforcé de nickel-fer-chrome développé spécifiquement pour un service soutenu dans des atmosphères contenant du carbone- et du soufre-à haute température-température. Sa teneur en nickel - environ le double de celle du 310S - est la seule caractéristique de conception qui définit son comportement dans un four de craquage.

310S est la variante à faible-carbone de la famille des aciers inoxydables austénitiques 25-20 (type 310). Il repose sur une teneur élevée en chrome pour former une couche d'oxyde de chrome stable et protectrice et est largement utilisé dans l'industrie de transformation partout où une résistance à l'oxydation à haute température est nécessaire sans le coût d'un alliage de nickel.

Quelle est la principale différence de composition entre les deux alliages ?

La teneur en nickel constitue la différence décisive : environ 30 à 35 % dans l'Incoloy 800 contre environ 19 à 22 % dans le 310S - et cet écart est à l'origine de chaque différence de performances et de coûts évoquée dans cet article.

Tableau 1 - Plages de composition nominale selon ASTM B408 / ASTM A240.

Deux caractéristiques ressortent. Premièrement, la teneur plus élevée en nickel de l'Incoloy 800 réduit la solubilité et le taux de diffusion du carbone dans la matrice métallique, ce qui est la principale raison pour laquelle il résiste mieux à la carburation que le 310S (discuté ci-dessous). Deuxièmement, les ajouts d'aluminium et de titane du 800 forment de fins précipités intermétalliques qui supportent une -résistance à la température élevée -, un avantage que le 310S n'a pas.

Quel alliage résiste aux températures de four plus élevées ?

Le 310S a un plafond légèrement plus élevé pour la résistance à l'oxydation pure (jusqu'à environ 1 150 degrés contre environ 1 100 degrés pour l'Incoloy 800), mais l'Incoloy 800 conserve mieux sa résistance mécanique et sa stabilité structurelle dans la plage de températures dans laquelle un four de craquage fonctionne réellement.

La résistance à l'oxydation et les performances structurelles sont deux propriétés différentes, et c'est là que les deux alliages sont le plus souvent confondus.. 310La teneur élevée en chrome du S lui confère une excellente stabilité au tartre dans des atmosphères propres et oxydantes, c'est pourquoi il est courant dans les revêtements de fours, la quincaillerie de four et les paniers de traitement thermique-. Mais un four de craquage n'est pas une atmosphère oxydante propre -, il combine une température élevée avec une couche limite réductrice riche en carbone- à la surface du métal, ainsi qu'une charge mécanique soutenue due au poids propre du tube et au cycle thermique. Dans ces conditions combinées, l'Incoloy 800 -, en particulier les nuances 800H et 800HT -, conserve une résistance au fluage et une stabilité dimensionnelle plus élevées, c'est pourquoi il constitue le choix par défaut pour les éléments internes de four porteurs- plutôt que le 310S.

Quel alliage résiste le mieux à la carburation ?

L'Incoloy 800 résiste nettement mieux à la carburation que le 310S, car sa teneur plus élevée en nickel réduit à la fois la solubilité et le taux de diffusion vers l'intérieur du carbone aux températures du four - et la carburation, et non la simple oxydation, est le mode de défaillance dominant dans le matériel du four de craquage.

La carburation se produit lorsque le carbone provenant d'hydrocarbures craqués ou de coke adhéré se diffuse dans la surface métallique, formant des carbures cassants le long des joints de grains. La couche carburée perd sa ductilité et devient sujette à la fissuration sous les contraintes thermiques et mécaniques du cycle normal du four. Étant donné que le nickel a une faible solubilité du carbone, les alliages plus riches en nickel résistent bien mieux à cette attaque que le fer. -les nuances de chrome. 310S, avec seulement 19 à 22 % de nickel, sont nettement plus sensibles à la fragilisation par carburation que l'Incoloy 800 dans le même service encrassé au coke-.

Une analyse documentée des défaillances d'une ligne de transfert de sortie de four à éthylène illustre bien ce point : un tube en Incoloy 800H - déjà l'un des alliages les plus résistants à la carburation-disponibles - s'est fissuré sur toute l'épaisseur de sa paroi après cinq ans de service une fois que les dépôts de coke ont augmenté la température de la paroi et exposé la surface intérieure à une atmosphère riche en carbone-assez longtemps pour la fragiliser. Le cas illustre deux choses à la fois : la carburation est le mécanisme contre lequel les ingénieurs des fours doivent concevoir avant tout, et même l'Incoloy 800H n'est pas à l'épreuve de la carburation-si la cokéfaction et le contrôle de la température ne sont pas gérés -, ce qui fait du 310S, beaucoup plus sensible au carbone-, un mauvais choix pour toute zone de four avec un contact soutenu avec du coke.

Quel alliage offre une meilleure-résistance au fluage et à la charge-à long terme ?

L'Incoloy 800 -, en particulier les nuances 800H et 800HT -, offre une résistance à la rupture au fluage-considérablement plus élevée pour les composants porteurs- ; Le 310S ne convient que pour le matériel de four légèrement chargé et non -critique.

Les supports de tubes de four, les supports et les plaques tubulaires des échangeurs de lignes de transfert supportent une charge mécanique soutenue à haute température pendant des années entre les révisions. La résistance au fluage (la déformation lente et permanente qui se produit sous charge à haute température) est aussi importante que la résistance à la corrosion. Incoloy 800H et 800HT utilisent une teneur en carbone contrôlée et une granulométrie plus grossière spécifiquement pour augmenter la durée de vie en fluage-de rupture. 310S n'a pas été conçu avec cet objectif et, bien qu'il soit utilisable pour les supports, les déflecteurs et les composants internes légèrement chargés, et sans-pression, n'est pas la spécification préférée pour tout composant qui doit supporter une charge structurelle à la température maximale du four sur une durée de fonctionnement de plusieurs-années.

Quel alliage coûte le moins cher à l’achat ?

Le 310S coûte moins cher au -kilogramme que l'Incoloy 800, car le nickel est l'élément d'alliage le plus cher dans les deux cas, et le 310S en contient environ 30 à 40 % de moins.

Le prix des métaux de base pour les deux alliages évolue avec le prix du nickel à la London Metal Exchange, mais l'effet est proportionnel à la teneur en nickel. Étant donné que l'Incoloy 800 contient environ 30 à 35 % de nickel contre environ 19 à 22 % pour le 310S, son prix d'usine par kilogramme est constamment plus élevé, et cet écart se creuse à chaque fois que les prix du nickel augmentent. Pour les projets ou composants à budget limité-en dehors des zones les plus sévères du four, cet écart de prix d'achat-est une raison légitime de spécifier 310S.

Quel alliage offre un coût total de possession inférieur ?

Il n'y a pas de gagnant universel : l'Incoloy 800 gagne généralement en termes de coût total de possession dans les zones à forte -carburation et-porteuses, car il évite les pannes prématurées et les temps d'arrêt imprévus ; Le 310S gagne généralement en termes de coût total de possession dans les zones de gravité moindre-où son prix d'achat inférieur n'est compensé par aucun avantage matériel.

Le prix d’achat n’est qu’une ligne dans l’équation du coût. La valeur de production d'un craqueur d'éthylène s'élève à plusieurs millions de dollars par jour, de sorte qu'une panne imprévue causée par un support de tube fissuré ou une plaque tubulaire de ligne de transfert carburée- peut coûter bien plus que le budget matériel total pour ce composant - plusieurs fois, une fois la perte de production, la main d'œuvre de réparation d'urgence et les pièces de remplacement accélérées incluses.

Dans les zones avec un contact soutenu avec le coke, une charge mécanique élevée ou un accès limité pour l'inspection, le prix d'achat plus élevé de l'Incoloy 800 est normalement récupéré plusieurs fois grâce à une durée de vie prolongée et aux temps d'arrêt évités. Dans les zones à température inférieure-et à faible charge-avec un accès facile pour l'inspection et le remplacement de routine, cette même prime n'apporte que peu d'avantages pratiques, et le 310S est la spécification la plus rationnelle.

Où chaque alliage doit-il être utilisé dans un four de craquage d’éthylène ?

Réservez l'Incoloy 800/800H pour les composants porteurs - sujets à la carburation- et porteurs de charge - les supports et supports de tubes à section radiante -, ainsi que les tubes et plaques tubulaires d'échangeur de ligne de transfert - et utilisez le 310S pour le matériel de section de -convection-, les déflecteurs et les composants internes sans-pression.

Il convient également d'être précis sur la raison pour laquelle aucun des deux alliages n'est utilisé : le serpentin radiant lui-même - le tube de craquage primaire exposé directement à des températures de la chambre de combustion supérieures à 1 000 degrés - est normalement coulé par centrifugation HK-40, HP ou un alliage HP modifié, et non de l'Incoloy 800 ou 310S. Les Incoloy 800 et 310S sont en concurrence pour le matériel de support et l'équipement de récupération de chaleur de la fournaise, et non pour le serpentin radiant.

Tableau 2 - Sélection indicative des alliages par zone de four. Confirmez toujours par rapport à la base de conception mécanique du concédant de licence du four et à la température réelle du métal -et au profil de cokéfaction de l'usine.

Comment choisir entre Incoloy 800 et 310S pour votre projet ?

Basez la décision sur quatre questions - température maximale du métal, exposition au carbone/coke, charge mécanique et intervalle d'exécution - plutôt que sur le seul prix d'achat.

• Température maximale du métal : le composant dépasse-t-il régulièrement environ 815 degrés, où le fluage et la carburation s'accélèrent ?
• Exposition au carbone : la surface est-elle en contact prolongé avec des hydrocarbures craqués ou des dépôts de coke, ou est-elle isolée du gaz de procédé ?
• Fonction mécanique : le composant supporte-t-il une charge structurelle ou une charge limite de pression-, ou s'agit-il d'un support, d'un déflecteur ou d'un bouclier légèrement chargé ?
• Délai d’exécution et accès : combien de temps le composant doit-il durer entre les inspections et dans quelle mesure un remplacement imprévu est-il perturbateur ?

Si la réponse aux trois premières questions penche vers un service sévère, l'Incoloy 800 (ou 800H/800HT pour les positions portantes-les plus exigeantes) est le choix techniquement et économiquement judicieux malgré son prix d'achat plus élevé. Si le composant se trouve dans une zone plus froide, à moindre charge et facile à inspecter, le 310S offre des performances adéquates à un coût nettement inférieur.

Résumé

Foire aux questions

L'Incoloy 800 est-il le même que l'acier inoxydable 310 ?

Non. L'Incoloy 800 est un alliage de nickel-fer-chrome contenant environ 30 à 35 % de nickel, tandis que le 310S est un acier inoxydable de fer-chrome-nickel contenant environ 19 à 22 % de nickel. Ils sont liés dans leurs applications mais appartiennent à différentes familles d'alliages avec des propriétés déterminantes différentes.

L'Incoloy 800 et l'Incoloy 310S peuvent-ils être soudés ensemble ?

Oui, des soudures métalliques-différentes entre l'Incoloy 800 et l'Incoloy 310S sont courantes dans la fabrication des fours et sont généralement réalisées avec un métal d'apport à base de nickel-pour s'adapter à la différence de dilatation thermique et de composition entre les deux alliages.

Quel alliage est utilisé pour la bobine radiante (tube de craquage) elle-même ?

Ni Incoloy 800 ni 310S. Les serpentins radiants utilisent normalement des alliages HK-40, HP ou HP modifiés coulés par centrifugation, conçus pour les exigences extrêmes de fluage et de température de la chambre de combustion. Les Incoloy 800 et 310S sont spécifiés pour le matériel de support, et non pour la bobine elle-même.

Le 310S résiste-t-il à la carburation ?

Le 310S offre une certaine résistance à la carburation grâce à sa teneur en chrome, mais nettement inférieure à celle de l'Incoloy 800, car la résistance à la carburation dépend principalement de la teneur en nickel et le 310S contient environ la moitié du nickel de l'Incoloy 800.

L’Incoloy 800 est-il toujours le meilleur choix, quel que soit le coût ?

Non. Dans les zones de four à basse-température, à faible-charge et faciles à inspecter, le 310S offre des performances adéquates à un prix d'achat inférieur, et la spécification de l'Incoloy 800 y ajoute un coût sans avantage de durée de vie-de durée de vie correspondant.