Incoloy 800 vs HK-40 السبائك المصبوبة: المواد المصبوبة مقابل المواد المصبوبة لأنابيب الأفران البتروكيماوية

إنكولوي 800(والمتغيرات ذات درجات الحرارة العالية-800H/800HT) وسبائك HK-40 تظهر كلاهما في مواصفات أنابيب الفرن البتروكيميائي، ولكن يتم إنتاجهما بطرق مختلفة بشكل أساسي - واحدة مطاوعة ومصبوبة واحدة - وهذا الاختلاف في التصنيع يدفع تقريبًا كل القرارات العملية التالية: حجم الأنبوب الذي يمكن تحقيقه، وقوة الزحف في درجة الحرارة القصوى، والليونة، وقابلية اللحام، وخيارات الإصلاح الميداني.

يقارن هذا الدليل بين المادتين عبر عملية التصنيع، والبنية الدقيقة، والأداء الميكانيكي، وتطبيقات الأفران العالمية-الواقعية، بحيث يتمكن المهندسون وفرق المشتريات من تحديد مادة الأنبوب الصحيحة بدلاً من اختيار أي سبيكة مألوفة أكثر.

ما هي Incoloy 800 وHK-40، ولماذا يتم مقارنتها بأنابيب الفرن؟

Incoloy 800 عبارة عن أنبوب من الحديد المطاوع-نيكل-سبائك كروم يتم إنتاجه عن طريق العمل الساخن والسحب البارد، في حين أن HK-40 عبارة عن سبيكة نيكل مقاومة للحرارة-حديد-كروم-مصنوعة في المقام الأول عن طريق الصب بالطرد المركزي (الدوران) - يُستخدم كلاهما في أفران البتروكيماويات، ولكن يتم اختيارهما عادةً لأحجام أنابيب مختلفة ونطاقات درجات حرارة مختلفة بدلاً من أن تكون قابلة للتبديل.

الأساس المنطقي: يتم تصنيع Incoloy 800/800H/800HT (UNS N08800/N08810/N08811) على شكل أنبوب غير ملحوم مطاوع: يتم بثق سبيكة الصب الساخنة - أو ثقبها، ثم يتم سحبها على البارد - وتصلبها إلى الحجم النهائي، مما يؤدي إلى إنتاج سبيكة متجانسة، دقيق-إلى-هيكل حبيبي متحكم فيه مع ليونة عالية.

يتم تصنيع HK-40 (UNS J94204، وفقًا لمعيار ASTM A297/A608) على شكل أنبوب ثابت أو مصبوب بالطرد المركزي: يتم صب السبائك المنصهرة في قالب دوار وتتصلب مباشرة في شكل أنبوب، مما ينتج عنه - بنية مجهرية شجرية مصبوبة. تشترك كلتا السبيكتين في قاعدة حديد-نيكل- مماثلة، وهذا هو سبب مقارنتهما في كثير من الأحيان بنفس الفرن، ولكن مسار إنتاجهما يجعل إحداهما أكثر ملاءمة للأنابيب والوصلات اللولبية الصغيرة- ذات القطر (سلسلة Incoloy 800) والأخرى للأنابيب المشعة الكبيرة- ذات القطر الكبير والطويلة أحادية القطعة (HK-40).

جدول 1 - التركيب التمثيلي ومسار التصنيع لكل ASTM B407/B163 (Incoloy 800H/800HT) وASTM A297/A608 (HK-40). لاحظ محتوى الكربون الأعلى بكثير في HK-40، وهو أمر متعمد ومركزي لقوته في درجات الحرارة العالية.

كيف تختلف عمليات التصنيع المطاوع والمصبوب، وما أهميتها؟

تنتج المعالجة المطاوعة بنية حبيبية متجانسة ومتساوية ذات ليونة عالية ومرونة في التصميم، في حين تنتج عملية الصب بالطرد المركزي بنية حبيبية عمودية/شجرية تشع من السطح الخارجي للأنبوب إلى الداخل، مما يضحي ببعض الليونة ولكنه يمكّن شبكة الكربيد بين التشعبات المسؤولة عن قوة درجة الحرارة العالية العالية لـ HK-40.

في إنتاج Incoloy 800 المطاوع، يقوم البثق الساخن والسحب البارد بتكسير هيكل السبائك المصبوبة الأصلية وإعادة بلورتها إلى حبيبات جديدة أكثر تجانسًا أثناء التلدين. تعمل هذه العملية على إزالة -فصل المصبوب والمسامية، مما يؤدي إلى إنتاج مادة ذات خصائص ميكانيكية متناحية يمكن التنبؤ بها وقابلية تشكيل ممتازة للثني والحرق واللحام في أشكال معقدة.

في عملية الصب بالطرد المركزي لـ HK-40، يتصلب المعدن المنصهر مباشرة في شكل الأنبوب النهائي دون أي عمل ساخن لاحق، وبالتالي فإن بنية الحبوب الناتجة - حبيبات عمودية خشنة بالقرب من القطر الخارجي تنتقل إلى حبيبات متساوية المحاور بالقرب من التجويف - تظل بشكل دائم في الجزء النهائي. يشتمل هذا الهيكل -المصبوب على شبكة من كربيدات الكروم الأولية على طول الحدود بين التشعبات، وهي على وجه التحديد ميزة البنية المجهرية التي تمنح HK-40 قوة الزحف عند درجات الحرارة العالية.

ما هي السبائك التي تتمتع بمقاومة زحف أعلى-للتمزق عند درجات حرارة التشغيل النموذجية للفرن؟

توفر HK-40 قوة تمزق زحف أعلى بكثير من مادة Incoloy 800H/800HT المطاوع عند درجات حرارة 900-1100 درجة من معدن الأنبوب النموذجي لأفران الانحلال الحراري للإيثيلين ومصلحات غاز الميثان البخارية، وهو السبب الرئيسي وراء أن HK-40 - وليس Incoloy 800 - هي المادة القياسية لأنابيب أفران الإصلاح والتكسير الكبيرة.

الأساس المنطقي: يسمح محتوى الكربون الأعلى بكثير في HK-40 (0.35–0.45% مقابل 0.06–0.10% في Incoloy 800H/800HT) بتكوين شبكة كثيفة ومستمرة من كربيدات M23C6/M7C3 الغنية بالكروم على طول الحدود بين التشعبات أثناء عملية التصلب. في درجة حرارة الخدمة، تقاوم شبكة الكربيد هذه بشدة حركة انزلاق وخلع حدود الحبوب، وهي آليات الزحف السائدة في درجات الحرارة هذه.

يعتمد Incoloy 800H/800HT على إستراتيجية ترسيب كربيد أخف نسبيًا بالإضافة إلى التحكم في حجم الحبوب المطاوع، والتي تكون فعالة حتى 800-900 درجة تقريبًا ولكنها لا تتطابق مع قوة HK-40 في نطاق 900-1100 درجة حيث تعمل أنابيب أفران الإصلاح والتكسير الأكثر تطلبًا.

جدول 2 - مقارنة الخدمة-بالزحف النوعي. قيم الضغط الفعلية المسموح بها تعتمد على الكود - والوقت -؛ راجع ASME القسم I/VIII القسم 1 الملحق أو بيانات تصميم أنبوب الفرن API 530/560 لمعرفة قيم التصميم الرقمية.

كيف تختلف البنية المجهرية بين Wought Incoloy 800 و Cast HK-40؟

يحتوي Wrought Incoloy 800 على بنية حبيبية دقيقة وموحدة ومتساوية المحاور مع كربيدات موزعة بشكل رئيسي داخل الحبوب وعلى طول الحدود بنمط متقطع ومتحكم فيه، في حين أن المصبوب HK-40 له بنية خشنة عمودية - إلى-متساوية كـ-هيكل مصبوب مع شبكة مصبوبة مستمرة من الكربيدات الأولية بين أذرع التغصنات التي لا يمكن إزالتها بالمعالجة الحرارية وحدها.

الأساس المنطقي: نظرًا لإعادة بلورة مادة Incoloy 800 المطاوع أثناء العمل الساخن والتليين، يمكن التحكم في هيكلها الحبيبي إلى حجم حبيبي محدد وفقًا لمعايير الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) للحصول على توازن مثالي للقوة -وليونة. على النقيض من ذلك، فإن البنية المجهرية لـ HK-40 تكون ثابتة في لحظة التصلب؛ في حين أن تجانس ما بعد الصب أو المعالجة الحرارية التثبيتية يمكن أن يعدل شكل الكربيد إلى حد ما، إلا أنه لا يمكنه تحويل بنية الحبوب الجذعية المصبوبة بشكل أساسي إلى بنية مشغولة ومتساوية المحاور. يعد هذا الهيكل المصبوب الدائم هو المصدر المباشر لكل من ميزة قوة HK-40 عند درجة الحرارة العالية وعيوب الليونة عند درجة حرارة منخفضة.

ما هي السبائك التي توفر ليونة وقابلية لحام أفضل؟

يوفر Wought Incoloy 800/800H ليونة أعلى بكثير وقابلية لحام أكثر وضوحًا من المصبوب HK-40، وهو أكثر عرضة لتشقق اللحام ويتطلب بشكل عام اختيارًا متخصصًا لمعادن الحشو، والتسخين المسبق، والتبريد المتحكم فيه من أجل اللحام والإصلاح الميداني الناجح.

جدول 3 - مقارنة الليونة وقابلية اللحام للسبائك Incoloy 800H/800HT مقابل المسبوكات HK-40. تتأثر نطاقات خصائص HK-40 بشدة بخشونة الكربيد الناتجة عن الخدمة؛ القيم المعروضة تمثيلية وليست عالمية.

ما هي أحجام الأنابيب وسماكات الجدار العملية لكل طريق تصنيع؟

تجعل عملية الصب بالطرد المركزي من HK-40 الاختيار العملي للأنابيب الكبيرة- ذات القطر السميك-والأنابيب الطويلة ذات القطعة الواحدة-، في حين أن Incoloy 800 المطاوع أكثر اقتصادية ومتاح بسهولة أكبر بأقطار أصغر وجدران أقل سمكًا نموذجية للأنابيب ذات المقطع الحراري والملف.

جدول 4 - يتراوح الحجم العملي حسب مسار التصنيع. تختلف القدرة الدقيقة حسب المسبك/المطحنة؛ قم بالتأكيد مع المورد بخصوص الحجم المحدد للمشروع-.

كيف يختلف التصنيع والإصلاح الميداني بين أنابيب الفرن المطاوع والمصبوب؟

يمكن بشكل عام تصنيع أنبوب Incoloy 800 المطاوع وإصلاحه ميدانيًا- باستخدام ممارسات اللحام التقليدية المألوفة في معظم المتاجر، بينما يتطلب الإصلاح الميداني HK-40 إجراءً مؤهلًا تم تطويره خصيصًا للمواد المصبوبة والغنية بالكربيد-والتي غالبًا ما تكون قديمة-، مما يجعل عملية الإصلاح مهمة أكثر تخصصًا وأكثر خطورة.

Wought Incoloy 800/800H: يتم تطبيق إجراءات اللحام القياسية في الورش وفي الميدان، ويتم تطبيق تجربة الاقتراب من الموت التقليدية (التصوير الشعاعي، واختراق الصبغة) مباشرةً، ويتم تصنيع التركيبات المشكلة على البارد (المرفقين، والانحناءات على شكل U-) بسهولة من نفس الأنبوب الأساسي.

المصبوب HK-40: حيث أنه-يجب تقييم عيوب المصبوب مثل المسامية الدقيقة والانكماش قبل اللحام؛ تتراكم في الأنابيب التي عمرها الخدمة خشونة كربيد هشة تزيد من خطر التشقق أثناء لحام الإصلاح ويجب تقييمها من قبل أخصائي معادن مؤهل.

يستخدم إصلاح Cast HK-40 عادةً معادن حشو أساسها النيكل- مختارة لاستيعاب التحول المعدني المتباين وتقليل حساسية التشقق، إلى جانب التحكم في التسخين المسبق ودرجة حرارة المرور البينية.

يجب أن توازن قرارات ما بعد -المعالجة الحرارية للحام لإصلاحات HK-40 بين استعادة بعض الليونة ومخاطر زيادة خشونة الخدمة بالفعل-هيكل كربيد قديم - وهو حكم يتم اتخاذه بشكل أفضل من قبل مهندس ذو خبرة في التعامل مع السبائك المقاومة للحرارة المصبوبة.

ما هي السبائك الأكثر فعالية من حيث التكلفة-لأنابيب الفرن الكبيرة- ذات القطر العالي ودرجة الحرارة- العالية؟

بالنسبة لأنابيب الجدران السميكة-الكبيرة-المطلوبة في أفران الإصلاح والتحلل الحراري، يكون صب HK-40 بالطرد المركزي أكثر فعالية من حيث التكلفة-من أنبوب Incoloy 800 المعادل، لأن الصب بالطرد المركزي ينتج أنبوبًا على شكل -صافي{7}} قريب مباشرةً، مما يؤدي إلى تجنب خطوات العمل الساخن الباهظة الثمن التي تتطلبها المعالجة المطاوعة عند الأحجام الكبيرة.

ترتفع تكاليف تصنيع الأنابيب المطاوع بشكل حاد مع زيادة القطر وسمك الجدار، نظرًا لأن مكابس البثق ومعدات السحب القادرة على التعامل مع أنابيب سبائك-النيكل- الكبيرة والسميكة محدودة العدد ومكلفة التشغيل. يتم قياس الصب بالطرد المركزي بشكل أكثر كفاءة إلى الأحجام الكبيرة لأن الأنبوب يتكون مباشرة من المعدن المنصهر في خطوة واحدة.

وهذا هو السبب وراء تقارب صناعة أنابيب الفرن على المصبوب HK-40 (ودرجات السبائك المصبوبة الأعلى- ذات الصلة) لأنابيب الإصلاح والتكسير الكبيرة، مع الاحتفاظ بمواد سلسلة Incoloy 800 المطاوع في المقام الأول للأنابيب ذات القطر الأصغر، والتركيبات، والتطبيقات التي تتطلب ليونة مطروقة بشكل خاص.

ما هي السبائك الأكثر ملاءمة لتطبيقات أفران محددة؟

HK-40 هي المادة المفضلة لمصلح المقطع المشع وأنابيب أفران الانحلال الحراري للإيثيلين التي تعمل عند درجة حرارة 900-1100 درجة، في حين أن Incoloy 800/800H أكثر ملاءمة لمقاطع الحمل الحراري، ومكونات دعم المحفز، وأنابيب الملفات الأصغر التي تعمل في درجات حرارة أكثر اعتدالًا حيث تكون الليونة وسهولة التصنيع أكثر أهمية من قوة الزحف القصوى.

جدول 5 - دليل اختيار السبائك المعتمد على التطبيق- لمكونات أفران البتروكيماويات.

ما هي أوضاع الفشل الرئيسية التي يجب مراقبتها في كل نوع من أنواع السبائك؟

تفشل أنابيب Incoloy 800/800H بشكل أساسي بسبب الزحف طويل الأمد-، وفي خدمة الكربنة، والتقصف المرتبط بالكربنة-، بينما تفشل أنابيب HK-40 بشكل أساسي بسبب التجويف الزحف، وخشونة الكربيد المستحثة بالخدمة- والتي تؤدي إلى التقصف، والتكسير الكلالي الحراري الناجم عن دورة الفرن - يجب أن تستهدف برامج الفحص الآلية السائدة لكل سبيكة.

جدول 6 - أوضاع الفشل السائدة حسب نوع السبائك، ذات الصلة بالفحص وبرامج تقييم الحياة المتبقية-.

الأسئلة المتداولة