Incoloy 800 vs 800H vs 800HT: limite de temperatură și rezistență la fluaj

* ASME Secțiunea I permite 800HT la 1.095 grade; Diviziunea 1 permite până la 1.150 de grade. Serviciul practic susținut depășește rar 900 de grade din cauza limitelor de oxidare.

Incoloy 800, 800H și 800HT sunt trei aliaje de nichel-fier-crom care au aceeași compoziție chimică de bază. Diferența se reduce la trei factori: controlul conținutului de carbon, raportul aluminiu-plus{-titan (Al+Ti) și temperatura de recoacere a soluției. Acești trei factori determină împreună mărimea granulelor, care, la rândul său, guvernează rezistența la fluaj și rezistența la temperatură ridicată-.

Dacă temperatura de serviciu este sub 600 de grade și fluajul nu este o considerație de proiectare, Incoloy 800 este suficient și mai economic. Dacă componenta dumneavoastră funcționează la peste 600 de grade sub sarcină susținută, aveți nevoie de 800H sau 800HT. Și dacă vizați o durată de viață maximă în intervalul 700–900 de grade, 800HT este alegerea definitivă, oferind până la 60% mai mare tensiune admisibilă la 800 de grade comparativ cu 800H.

Ce sunt Incoloy 800, 800H și 800HT?

Incoloy 800, 800H și 800HT sunt aliaje de-nichel-fier-crom la temperatură înaltă, concepute pentru utilizare rezistentă la oxidare-la temperaturi ridicate. Toate trei aparțin aceleiași familii de aliaje și conțin aproximativ 30–35% nichel, 19–23% crom și minim 39,5% fier. Distincția principală nu este în compoziția de bază, ci în controlul conținutului de carbon, optimizarea raportului Al+Ti și tratamentul termic, care determină în mod colectiv performanța lor de fluaj.

TheAliaje seria 800au fost dezvoltate de Special Metals Corporation (inițial Inco) pentru a umple un gol pe piața materialelor: un material care ar putea rezista la oxidare și carburare la temperaturi ridicate, oferind în același timp o economie mai bună decât aliajele simple pe bază de nichel-cum ar fi Inconel 600. Conținutul de crom de aproximativ 20% asigură rezistență la oxidare, în timp ce conținutul de nichel de aproximativ 32% asigură stabilitate structurală la temperaturi ridicate.

De-a lungul timpului, inginerii au descoperit că, prin înăsprirea specificațiilor carbonului, controlând raportul aluminiu-la-titan și aplicând o soluție de recoacere la-înaltă temperatură, proprietățile de fluaj și de rupere-de tensiune ar putea fi îmbunătățite dramatic. Acest lucru a dus la evoluția de la 800 la 800H și, în final, la 800HT.

Care este diferența chimică cheie dintre aceste trei clase?

Toate cele trei clase au în comun intervale de chimie de bază aproape identice pentru nichel (30–35%), crom (19–23%) și fier (echilibru, mai mare sau egal cu 39,5%). Diferența critică constă în specificația conținutului de carbon și controlul raportului Al+Ti. Incoloy 800 permite carbonul până la 0,10% fără o limită inferioară, 800H restricționează carbonul la 0,05–0,10%, iar 800HT strânge și mai mult carbonul la 0,06–0,10%, impunând în același timp un control strict asupra conținutului combinat de aluminiu și titan (0,30–0,70% mai mare decât Al: 0,70%1).

■ Conținut de carbon: Incoloy 800 permite până la 0,10% carbon; cu toate acestea, sunt permise încălzirile cu-carbon redus (sub 0,05%). Incoloy 800H impune 0,05–0,10% carbon pentru a asigura o precipitare suficientă a carburilor la granițele granulelor în timpul recoacerii la temperatură înaltă-. Incoloy 800HT utilizează 0,06–0,10%, optimizat pentru a echilibra fixarea limită de cereale cu ductilitatea.

■ Control Al + Ti: Incoloy 800 și 800H nu controlează strict conținutul combinat de Al+Ti, care poate varia de la 0,30% la 1,20%. Incoloy 800HT limitează Al+Ti la o fereastră îngustă de 0,30–0,70%, cu cerința suplimentară ca raportul aluminiu-la-titan să fie de cel puțin 1. Acest lucru previne formarea fazei eta (η) dăunătoare în timpul expunerii-de lungă durată la temperaturi ridicate.

■ Implicații practice: Aceste diferențe chimice subtile, combinate cu tratamentul termic adecvat (vezi mai jos), determină dacă aliajul va avea granule fine (rezistență scăzută la fluaj) sau granule grosiere (rezistență mare la fluaj).

Care sunt limitele de temperatură pentru fiecare grad?

Incoloy 800 este limitat la 593 de grade (1.100 de grade F) pentru serviciul de menținere a presiunii-conform ASME Secțiunea VIII Divizia 1 și nu are nicio tensiune admisibilă enumerată ASME-peste această temperatură. Incoloy 800H extinde această limită la aproximativ 1.095 de grade pentru aplicațiile ASME Secțiunea I și Secțiunea VIII. Incoloy 800HT realizează cea mai mare acoperire ASME, atingând 1.150 de grade sub Divizia 1, cu utilizare practică susținută recomandată sub 900 de grade, unde oxidarea devine mecanismul de limitare-durată de viață.

Codul ASME pentru cazane și recipiente sub presiune oferă referință autorizată pentru limitele de temperatură de proiectare. Motivul de bază pentru care Incoloy 800 scade peste 593 de grade nu este că aliajul se topește sau eșuează catastrofal; în schimb, microstructura sa cu granulație-fină nu are rezistența la fluaj necesară pentru o reținere susținută a presiunii. ASME consideră că este nesigur să enumere o solicitare admisibilă atunci când datele pe termen lung-de fluaj ale materialului nu pot suporta un design fiabil.

■ Incoloy 800 (UNS N08800): ASME Secțiunea VIII Div 1, Tabelul UHA-23 listează tensiunile admisibile numai până la 593 de grade (1.100 de grade F). La 500 de grade, tensiunea admisă este de 72 MPa; la 300 de grade , este de 86 MPa. Nu sunt enumerate valori pentru 600 de grade sau mai sus.

■ Incoloy 800H(UNS N08810): ASME Secțiunea II Partea D enumeră valorile admisibile ale tensiunii care se întind de la mediu la 1.095 grade. La 600 de grade, tensiunea admisă este de 64 MPa; la 700 de grade, 44 MPa; la 800 de grade, 26 MPa; la 900 de grade, 14 MPa.

■ Incoloy 800HT (UNS N08811): ASME Secțiunea II Partea D atribuie tensiuni admisibile mai mari decât 800H la temperaturi ridicate. La 700 de grade, tensiunea admisă este de 52 MPa (față de 44 MPa pentru 800H); la 800 de grade, 32 MPa (față de 26 MPa); la 900 de grade, 18 MPa (față de 14 MPa). Aceasta reprezintă o îmbunătățire cu 20–23% a marjei de proiectare la 700–800 de grade.

De ce 800H și 800HT depășesc 800 în ceea ce privește rezistența la fluaj?

Rezistența la fluaj din seria 800-este guvernată în principal de mărimea granulelor. Incoloy 800 are o structură cu granulație-fină (ASTM 7–8), care oferă proprietăți bune de tracțiune-la temperatura camerei, dar rezistență scăzută la fluaj la temperaturi ridicate. Incoloy 800H și 800HT sunt soluții recoapte la temperaturi mult mai ridicate (mai mare sau egală cu 1.143 de grade față de aproximativ 980 de grade pentru 800), care produce o structură cu granulație grosieră (ASTM 5 sau mai grosier).

Granulele grosiere reduc alunecarea limitelor de cereale, mecanismul principal de fluaj, rezultând o durată de viață a fluajului substanțial mai lungă.

Fluajul este o deformare-dependentă de timp, care apare atunci când un metal este supus solicitărilor la temperatură ridicată. La nivel microstructural, fluajul are loc în primul rând prin alunecarea granițelor: boabele individuale alunecă unele pe lângă altele de-a lungul limitelor lor. Materialele cu granulație fină-au o zonă mai mare de delimitare a granulelor, ceea ce înseamnă mai multe căi de alunecare. Materialele cu granulație grosieră-au mai puține limite de granulație, ceea ce limitează în mod natural acest mecanism.

Cantitativ, diferența este dramatică. La 700 de grade , rezistența la fluaj de 10.000-ore la o deformare de 1% pentru Incoloy 800 este de aproximativ 28 MPa, în timp ce 800H atinge aproximativ 46 MPa și 800HT atinge aproximativ 52 MPa - o creștere de 86% de la 800 la 800HT. Privind rezistența la rupere de 100.000 de ore la aceeași temperatură: 800 deține aproximativ 25 MPa, 800H aproximativ 45 MPa și 800HT aproximativ 55 MPa.

■ La ruptură de 800 de grade / 100.000 de ore: Incoloy 800 oferă aproximativ 12 MPa, 800H aproximativ 22 MPa și 800HT aproximativ 30 MPa-o îmbunătățire cu 150% de la 800 la 800HT.

■ La ruptură de 900 de grade / 100.000 de ore: Incoloy 800 oferă aproximativ 4 MPa, 800H aproximativ 9 MPa și 800HT aproximativ 13 MPa. La aceste temperaturi, chiar și 800HT se confruntă cu constrângeri semnificative de proiectare, motiv pentru care serviciul practic depășește rar 900 de grade.

■ Mecanism metalurgic: recoacerea la temperatură înaltă-(1.143–1.177 grade ) dizolvă majoritatea carburilor de crom, apoi răcirea controlată le permite să re-precipiteze în primul rând la granițele granulelor, fixându-le împotriva alunecării. Conținutul de Al+Ti controlat cu atenție în 800HT asigură formarea de precipitate gamma-prime( ') stabile (Ni₃Al,Ti) care asigură o întărire intragranulară suplimentară, fără riscul de a forma faza η-casabilă la temperaturi de serviciu.

Cum afectează dimensiunea granulelor performanța la temperatură ridicată?

Dimensiunea boabelor este cea mai importantă variabilă metalurgică care distinge aceste trei aliaje. Pentru serviciul de fluaj la temperatură înaltă-, granulele grosiere (ASTM 5 sau mai grosoare) sunt întotdeauna preferate, deoarece minimizează aria limită a granulelor și, prin urmare, minimizează alunecarea limitei cerealelor, mecanismul dominant de fluaj. Incoloy 800H și 800HT impun o dimensiune minimă a granulelor de ASTM 5; 800HT recomandă în continuare ASTM 2,5–5 pentru o durată de viață optimă. În schimb, Incoloy 800 este furnizat în mod obișnuit într-o stare de granulație-fină (ASTM 7–8) și nu este potrivit pentru aplicații în care fluajul guvernează proiectarea.

Relația dintre dimensiunea granulelor și rezistența la fluaj este bine-documentată în aliajele pe bază de-nichel. O structură cu granulație-fină (ASTM mai mare sau egală cu 8) poate reduce durata de viață la fluaj cu mai mult de 50% în comparație cu o structură cu granulație-grosieră (ASTM 2,5–5) în condiții identice de temperatură și stres. Acesta este motivul pentru care certificarea materialelor pentru 800H și 800HT trebuie să includă numărul de granulație ASTM; nu este optional.

■ Orice tratament termic post-fabricație efectuat sub 1.100 de grade poate rafina din greșeală structura cerealelor, compromițând performanța de fluaj. Operațiunile de sudare pe teren sau de formare la cald trebuie controlate cu atenție pentru a păstra starea-granulelor grosiere.

■ Cerința privind dimensiunea granulelor pentru 800H este specificată în Codul ASME Case 1325, care impune ASTM nr. 5 sau mai grosier. Pentru 800HT, intervalul recomandat de ASTM 2.5–5 se bazează pe date extinse de testare la fluaj care arată echilibrul optim între rezistență și ductilitate.

■ O consecință practică: atunci când achiziționați 800H sau 800HT, specificația de achiziție trebuie să menționeze în mod explicit cerințele privind dimensiunea granulelor, iar raportul de testare a materialului (MTR) trebuie să documenteze numărul măsurat de dimensiunea granulelor ASTM.

Care sunt standardele ASME și ASTM pentru fiecare grad?

Fiecare grad are un număr UNS unic și este acoperit de seturi suprapuse de standarde de produs ASTM și cazuri de coduri pentru recipiente sub presiune ASME. Incoloy 800 (N08800) este guvernat de ASTM B163 (tub), B407 (țeavă), B408 (bar), B409 (plăcuță) și forme de produs similare conform ASME Secțiunea VIII Div 1. Incoloy 800H (N08810) și 800HT (N08810) și 800HT (N08810) necesită certificare suplimentară pentru standardele ASTM: 1. E112), iar pentru 800HT, conținutul real de Al+Ti și temperatura de recoacere trebuie raportate pe certificatul de testare a materialului.

■ Incoloy 800 (UNS N08800): ASTM B163 (tub fără sudură), B407 (țeavă), B408 (tijă/bară), B409 (placă/foală), B514 (țeavă sudată), B515 (tub sudat). ASME Secțiunea VIII Div 1, utilizare limitată la 593 de grade.

■ Incoloy 800H (UNS N08810): Aceleași standarde ASTM ca mai sus, plus codul ASME Case 1325 care necesită granulație ASTM 5 sau mai grosieră. ASME Secțiunea I și Secțiunea VIII enumerate la ~1.095 grade.

■ Incoloy 800HT(UNS N08811): Aceleași standarde ASTM, plus cerințe suplimentare de certificare: Al+Ti trebuie raportat, temperatura și durata de recoacere trebuie raportate, dimensiunea granulelor recomandată la ASTM 2.5–5. ASME Secțiunea I la 1.095 de grade; Secțiunea VIII Div 1 la 1.150 de grade .

■ Certificare dublă: este o practică obișnuită în industrie pentru mori să furnizeze material dual-certificat ca 800H/800HT. Aceasta înseamnă că materialul îndeplinește cerințele mai restrictive ale 800HT (carbon, Al+Ti, dimensiunea granulelor și recoacere) și poate fi utilizat interschimbabil pentru aplicații 800H.

Ce grad ar trebui să alegeți pentru aplicația dvs.?

Selecția este condusă de trei intrări ale proiectului: temperatura de serviciu, cerințele de fluare și bugetul. Dacă temperatura de proiectare este sub 593 de grade și fluajul nu este un mod de eroare care guvernează, alegeți Incoloy 800 pentru eficiență a costurilor. Dacă componenta dvs. funcționează între 600 și 700 de grade cu încărcare moderată, selectați Incoloy 800H. Dacă aveți nevoie de o marjă maximă de proiectare peste 700 de grade sau dacă aplicația dvs. vizează 20+ ani de serviciu continuu, investiți în Incoloy 800HT.

Mai jos este un cadru decizional practic bazat pe experiența industrială-reală:

■ Temperatura de proiectare Mai mică sau egală cu 593 de grade, fără cerință de fluaj: Alegeți Incoloy 800. Aplicațiile tipice includ echipamente pentru procese chimice, preîncălzitoare de acid azotic și tubulatura generatorului de abur nuclear. Structura cu granulație-fină oferă o rezistență bună la întindere la temperaturi moderate, fără costul superior al chimiei controlate și al recoacerii la-temperatură înaltă.

■ Temperatura de proiectare 600–700 de grade, fluajul guvernează designul: Alegeți Incoloy 800H. Aplicațiile tipice includ tuburi pentru cuptoare de etilenă, tuburi de supraîncălzire cu abur și echipamente de procesare a hidrocarburilor. Structura cu granulație grosieră-oferă o durată de viață fiabilă, iar permisele de proiectare ASME sunt disponibile în acest interval de temperatură.

■ Temperatura de proiectare 700–900 grade, serviciu pe termen lung: alegeți Incoloy 800HT. Aplicațiile tipice includ tuburi de reformare a amoniacului, colectoare de evacuare a instalației de metanol și foi de tuburi pentru răcirea gazului de sinteză. Avantajul suplimentar de 20-23% la stres admisibil la 800 de grade (32 MPa față de 26 MPa pentru 800 H) se traduce direct în grosimea redusă a peretelui și costul materialului mai mic.

■ Caz special: condiții de ciclism: Dacă serviciul implică cicluri termice frecvente, Incoloy 800 cu structura sa mai fină cu granulație poate oferi o rezistență mai bună la oboseală termică la temperaturi moderate. Cu toate acestea, acest lucru trebuie analizat cu atenție în raport cu cerințele de fluare.

Unde sunt utilizate aceste aliaje în industrie?

Familia din seria 800- își găsește cea mai largă aplicație în procesarea petrochimică, generarea de energie și echipamentele de încălzire industrială, unde combinația dintre rezistența la oxidare, rezistența la carburare și rezistența la temperatură înaltă este esențială. Alegerea gradului se corelează direct cu temperatura de funcționare și modul de defecțiune al fiecărei aplicații specifice.

■ Petrochimic: tuburi pentru cuptorul de cracare a etilenei (800H), tuburi și colectoare de ieșire pentru reformator de metan cu abur (SMR) (800HT), componente interne ale convertizorului de sinteză a metanolului (800H/800HT), sisteme de evacuare secundare a reformatorului de amoniac (800HT) și echipamente de producție de hidrogen.

■ Generare de energie: tuburi de supraîncălzire și reîncălzire în centralele electrice cu ciclu{0}convențional și combinat (800H/800HT), componente ale generatorului de abur cu recuperare de căldură (HRSG) și tubulaturi ale generatorului de abur nuclear (800).

■ Încălzire industrială: tuburi radiante pentru cuptoare de tratare termică, capace pentru cuptoare de recoacere tip clopot-, tuburi de mufă și mantale de protecție pentru termocuplu.

■ Prelucrare chimică: tuburi de preîncălzire a acidului azotic, componente interne ale unității de alchilare a acidului fluorhidric și componente expuse la medii cu clorură-în care fisurarea prin coroziune prin efort este o problemă.

Ce considerații de sudare și fabricație se aplică?

Toate cele trei grade pot fi sudate folosind metale de adaos pe bază de nichel-potrivire-potrivibile. Cu toate acestea, preocuparea esențială pentru 800H și 800HT este păstrarea structurii cu granulație grosieră-după sudare și orice tratament termic post-sudare. Tratamentul termic neadecvat sub temperatura de recoacere a soluției inițiale poate rafina structura granulelor și poate distruge proprietățile de fluaj care disting aceste grade de standardul 800.

■ Selectarea metalului de umplutură: pentru 800H/800HT, utilizați metale de adaos ERNiCr-3 (Inconel 82) sau ERNiCrCoMo-1 (Inconel 617) atunci când proprietățile de întindere la temperatura camerei ale sudurii trebuie să se potrivească cu metalul de bază. ERNiCr-3 este cea mai comună alegere. Pentru 800, ERNiCr-3 este, de asemenea, utilizat pe scară largă.

■ Tratament termic post-sudare: dacă codul cere PWHT, acesta trebuie efectuat la o temperatură care să nu rafineze structura granulelor. Pentru 800H/800HT, aceasta înseamnă că temperatura PWHT trebuie să fie la sau peste 1.100 de grade pentru a evita rafinarea cerealelor. Dacă o astfel de temperatură-înaltă PWHT este nepractică, alternativa este să acceptați o rezistență la fluaj ușor redusă în zona afectată-de căldură.

■ Formare la cald: 800H și 800HT trebuie prelucrate la cald în intervalul 870-1.200 de grade. Lucrarea la cald sub 870 de grade poate cauza rafinarea cerealelor. Dacă formarea la rece depășește 5% deformare și componenta va avea o temperatură mai mare de 600 de grade, se recomandă recoacere cu soluție de re{10}.

Întrebări frecvente

În practica modernă, majoritatea fabricilor furnizează material care este dual-certificat atât conform standardelor 800H (N08810) cât și 800HT (N08811). Aceasta înseamnă că materialul îndeplinește cerințele mai restrictive privind chimia și dimensiunea granulelor de 800HT și poate fi utilizat fie pentru aplicații 800H, fie 800HT. Cu toate acestea, ar trebui să verificați întotdeauna raportul de testare a materialului pentru a confirma că conținutul de Al+Ti și dimensiunea granulelor sunt în limitele de 800HT dacă intenționați să utilizați permisele de proiectare ASME 800HT.

Incoloy 800 poate fi actualizat la 800H sau 800HT prin re-tratare termic-?

Nu. Chimia Incoloy 800 (în special conținutul de carbon, care poate fi sub 0,05%) nu îndeplinește neapărat cerința minimă de carbon de 0,05% pentru 800H sau 0,06% pentru 800HT. Mai mult, este posibil ca structura granulelor să nu se asprească suficient fără precipitarea controlată a carburilor pe care o permite carbonul. Re-încălzirea-tratarea unui material 800 la temperaturi de 800 H fără chimia corectă poate produce rezultate inconsecvente și nesigure. Materialul ar trebui să fie procurat ca 800H sau 800HT de la moară.

Cum se compară Incoloy 800HT cu Inconel 600 la temperatură ridicată?

Incoloy 800HT și Inconel 600 servesc diferite nișe de temperatură și cost. Inconel 600 (UNS N06600) are un conținut mai mare de nichel (~72%) și poate funcționa la temperaturi de până la 1.093 de grade cu o bună rezistență la oxidare. La 700 de grade, Incoloy 800HT (ruptură de 100.000 de ore la aproximativ 55 MPa) are doar aproximativ 10% mai mică ca rezistență la rupere decât Inconel 600, dar la un cost material substanțial mai mic datorită conținutului mai scăzut de nichel. Pentru aplicații sub 900 de grade, unde economia contează, 800HT este adesea alegerea preferată.

Incoloy 800 rezistă la fisurarea coroziunii prin stres cu clorură?

Da. Conținutul ridicat de nichel (30-35%) al tuturor aliajelor din seria 800 oferă o rezistență excelentă la fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC), care este un mod obișnuit de defecțiune în oțelurile inoxidabile austenitice, cum ar fi 304 și 316. Acesta este unul dintre motivele cheie pentru care 800 este selectat pentru tuburile schimbătoare de căldură în servicii în care pot fi prezente cloruri, cum ar fi fluxurile de apă sau contaminarea cu cloruri sau procese de contaminare.

Care este durata maximă de viață practică pentru componentele 800HT?

Incoloy 800HT a fost utilizat în sistemele de ieșire pentru reformarea instalațiilor de amoniac și metanol de peste 25 de ani de funcționare continuă la temperaturi cuprinse între 850 și 920 de grade. Factorul limitator la aceste temperaturi este de obicei atacul de oxidare și carburare, mai degrabă decât ruptura prin fluaj. Cu un design adecvat (permițând toleranța de oxidare în grosimea peretelui), durate de viață care depășesc 200.000 de ore (aproximativ 23 de ani) sunt realizabile la temperaturi de până la 900 de grade.