Incoloy 800HT مقابل Alloy 600: ثبات البنية المجهرية على المدى الطويل عند درجة حرارة 800-900

إنكولوي 800HTوسبائك 600 عبارة عن سبائك الحديد-النيكل-الكروم والنيكل-الكروم-التي يتم استخدامها بشكل متكرر لمكونات الفرن، وتركيبات المعالجة الحرارية-، ومعدات المعالجة التي تعمل في نطاق 800-900 درجة. على الرغم من مظهرها المتشابه في ورقة البيانات، إلا أنها تتقدم في العمر بشكل مختلف تمامًا على مدار آلاف الساعات عند درجة الحرارة: أحدهما مصمم خصيصًا-لمقاومة الزحف على المدى الطويل-، والآخر لمقاومة التآكل في الخدمة الكيميائية والنووية ذات درجات الحرارة المنخفضة-.

يقارن هذا الدليل كيمياءها، وسلوك ترسيب الكربيد، وبنية الحبوب، وقوة التمزق-الزاحفة، ومقاومة الأكسدة/الكربنة، بحيث يمكن للمهندسين اختيار السبائك التي ستصمد فعليًا على مدى حملة خدمة متعددة-سنوات بدلاً من الفشل مبكرًا بسبب تغيير غير متوقع في البنية الدقيقة.

ما هي Incoloy 800HT وسبائك 600، ولماذا نقارنهما عند درجة حرارة 800-900؟

Incoloy 800HT (UNS N08811) عبارة عن سبيكة حديد-نيكل-كروم تم تصميمها خصيصًا لمقاومة درجات الحرارة العالية-واستقرار الهيكل، في حين أن السبائك 600 (UNS N06600) عبارة عن سبيكة حديد نيكل-كروم-مصممة بشكل أساسي لمقاومة التآكل - وهو اختلاف في هدف التصميم يصبح حاسمًا بمجرد الاحتفاظ بكلتا السبائك لفترات طويلة عند 800-900 درجة.

تشترك كلتا السبيكتين في قاعدة ثلاثية-متماثلة إلى حد كبير (النيكل والكروم والحديد)، ولهذا السبب يتم مقارنتها أحيانًا بنفس تطبيق درجة الحرارة-المرتفعة. ومع ذلك، فإن استراتيجية صناعة السبائك تتباين بشكل حاد. يضيف Incoloy 800HT الكربون المتحكم فيه بالإضافة إلى الألومنيوم والتيتانيوم، ويحدد حجم الحبوب الخشن الذي يمكن التحكم فيه، خصيصًا لزيادة قوة الزحف-للتمزق فوق 700 درجة.

سبيكة 600تم تطويره للحصول على مقاومة ممتازة للتكسير الناتج عن الإجهاد الناتج عن الكلوريد-والتكسير الكاوي في مولدات البخار النووية والمعالجة الكيميائية، مع ارتفاع-القوة الهيكلية في درجات الحرارة كاعتبار ثانوي. عند درجة حرارة 800-900 درجة، تنتج أهداف التصميم المختلفة هذه سلوكًا بنيويًا مجهريًا مختلفًا وطويل الأمد-وقابل للقياس.

جدول 1 - نطاقات التركيب الكيميائي التمثيلي وفقًا لمواصفات ASTM/ASME (B407/B163 لـ 800HT؛ B166/B168 للسبائك 600). التحقق من مواصفات المطحنة الحالية لاستخدام التصميم.

ما هي التغييرات الهيكلية الدقيقة التي تحدث في كلتا السبائك أثناء التعرض لدرجات الحرارة العالية-على المدى الطويل-؟

تخضع كلا السبيكتين لترسيب الكربيد، وبعض تطور كيمياء حدود الحبيبات، وفقدان تدريجي للليونة في درجة حرارة الغرفة- أثناء التعرض طويل الأمد بدرجة 800-900، ولكن حجم الكربون والحبيبات الذي يتم التحكم فيه في Incoloy 800HT مصمم خصيصًا لجعل هذه التغييرات تعمل لصالح قوة الزحف، في حين أن هيكل الحبوب الدقيق وغير المتحكم فيه في Alloy 600 ومحتوى الكربون المنخفض يجعل نفس التغييرات أكثر احتمالية لتقليل الليونة دون فائدة قوة تعويضية.

عند درجة حرارة عالية مستدامة، يتحد الكروم مع الكربون لتكوين كربيدات غنية بالكروم -(M23C6 بشكل أساسي)، والتي تميل إلى التنوي على طول حدود الحبوب أولاً. في Incoloy 800HT، تم تصميم ترسيب الكربيد هذا بشكل متعمد: يعمل المحتوى العالي من الكربون في السبيكة وحجم الحبوب الخشنة المتحكم فيه (حجم الحبوب ASTM 5 أو أكثر خشونة) على تعزيز شبكة كربيد شبه -حبيبية مستمرة- تحدد حدود الحبوب وتقاوم انزلاق حدود الحبوب - وهي آلية تشوه الزحف السائدة في درجات الحرارة هذه.

في السبائك 600، التي لم يتم تصميمها مع وضع آلية التقوية هذه في الاعتبار، يؤدي ترسيب الكربيد نفسه في كثير من الأحيان إلى إنتاج طبقة حدود حبيبية متواصلة- دون فائدة تقوية مطابقة، والتي يمكن أن تستنزف الكروم محليًا (الحساسية) وتقلل من مقاومة التآكل وليونة الزحف.

كيف يختلف هطول الكربيد بين Incoloy 800HT وسبائك 600؟

تمت صياغة Incoloy 800HT لإنتاج بنية كربيد حدودية متحكم بها ومتقطعة- تعمل على تحسين قوة الزحف، في حين أن محتوى الكربون المنخفض والأقل تحكمًا في Alloy 600 يجعلها أكثر عرضة لطبقة كربيد مستمرة تعمل على تعزيز التشقق بين الحبيبات تحت التعرض الحراري والإجهاد على المدى الطويل-.

جدول 2 - سلوك ترسيب الكربيد المقارن والغرض من التصميم لـ Incoloy 800HT وAlloy 600 عند درجة حرارة مرتفعة.

أي سبيكة تتمتع بمقاومة أفضل لمرحلة سيجما وغيرها من المراحل المعدنية الهشة؟

ليست أي من السبائك شديدة التعرض لتكوين طور سيجما مقارنةً بالسبائك الفائقة-المحتوية على الكروم والموليبدينوم-، ولكن تصميم سبيكة Incoloy 800HT وتاريخ الخدمة الطويل في نطاق 800–900 درجة يمنحها مقاومة أفضل-موثقة للأطوار المعدنية المتقصفة على مدى -سنوات تعريض أكثر من السبائك 600، التي لديها سجل حافل أقصر على وجه التحديد في نطاق درجة الحرارة هذا.

تتشكل مرحلة سيجما وما يرتبط بها من معادن هشة بسهولة أكبر في السبائك التي تحتوي على نسبة عالية من الكروم مع محتوى الموليبدينوم أو التنغستن أو النيوبيوم عند درجات حرارة متوسطة (حوالي 600-900 درجة). يحتوي كل من Incoloy 800HT وAlloy 600 على محتوى متواضع من الكروم ومحتوى من الموليبدينوم لا يذكر -إلى-منخفض مقارنة بالسبائك مثل 625 أو الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الأوستنيتي، مما يحد من مخاطر مرحلة سيجما في كليهما. ومع ذلك، يتمتع Incoloy 800HT بعقود من الاستخدام الموثق في أنابيب أفران الانحلال الحراري للإيثيلين، وسلال المحفزات، وتركيبات المعالجة الحرارية-على وجه التحديد عند درجة حرارة 800-1100 درجة، مما يمنح علماء المعادن مجموعة أكبر بكثير من بيانات التقادم طويلة الأمد-التي تؤكد ثبات بنيته المجهرية في هذه النافذة مقارنة بما هو موجود في Alloy 600، والتي يتم تحديدها بشكل أكثر شيوعًا للخدمة تحت 650 درجة.

كيف يؤثر حجم الحبوب وخصائص حدود الحبوب على الاستقرار على المدى الطويل-؟

يعمل حجم الحبوب الخشنة المحدد لـ Incoloy 800HT بشكل مباشر على تحسين عمر الزحف-من خلال تقليل إجمالي مساحة حدود الحبوب المتاحة لانزلاق حدود الحبوب، في حين أن سبيكة 600 عادةً ما تكون أكثر دقة، وبنية الحبوب الملدنة -المطحنة - الجيدة للغرفة-ليونة درجة الحرارة ومقاومة التآكل - تصبح مسؤولة عن مقاومة الزحف عند 800-900 درجة.

تشوه الزحف عند درجة حرارة عالية وإجهاد منخفض-إلى-متوسط ​​يهيمن عليه انزلاق حدود الحبوب وانتشارها على طول حدود الحبوب. يحتوي هيكل الحبوب الخشنة على مساحة حدود إجمالية أقل نسبيًا لكل وحدة حجم، مما يؤدي بشكل مباشر إلى إبطاء آلية التشوه هذه وإطالة وقت التمزق. تتطلب مواصفات مطحنة Incoloy 800HT التحكم في حجم الحبوب الخشنة خصيصًا لاستغلال هذه العلاقة. يتم إنتاج السبيكة 600 بشكل أساسي لتطبيقات التآكل حيث يعمل حجم الحبيبات الدقيقة على تحسين مقاومة التآكل بين الحبيبات والتشقق عند درجات حرارة منخفضة، ويتم تزويدها عادةً ببنية حبيبية أكثر دقة تؤدي إلى نتائج عكسية من الناحية المعدنية لخدمة زحف مستدامة في درجات الحرارة العالية-.

ما هي السبائك التي تتمتع بمقاومة زحف أفضل-للتمزق عند درجة 800-900؟

يوفر Incoloy 800HT قوة تمزق زحف أعلى بكثير-من السبائك 600 عند 800-900 درجة، وهذا هو السبب الرئيسي وراء أنها - بدلاً من السبائك 600 - هي السبيكة القياسية المحددة للمكونات الهيكلية طويلة الأمد- في نطاق درجة الحرارة هذا.

جدول 3 - المقارنة النوعية لملاءمة تصميم التمزق-الزاحف. قيم الضغط الفعلية المسموح بها هي درجة الحرارة -، والوقت -، والكود -الإصدار- المحدد؛ راجع قسم ASME الحالي الجزء الثاني الجزء D أو رمز التصميم المطبق للقيم الرقمية.

كيف يمكن مقارنة مقاومة الأكسدة والكربنة عند درجات الحرارة هذه؟

إن المحتوى العالي من الكروم في Incoloy 800HT يمنحها مقاومة أكسدة ممتازة عند 800-900 درجة في الهواء وأجواء مؤكسدة بشكل معتدل، في حين أن محتوى النيكل الأعلى بكثير في Alloy 600 يمنحها ميزة في الكربنة القوية أو تقليل الأجواء حيث تكون قابلية ذوبان الكربون المنخفضة وانتشارها في مصفوفة النيكل العالية- تحد من التقاط الكربون.

جدول 4 - مقارنة المقاومة النوعية للبيئة- بين Incoloy 800HT و Alloy 600.

أي سبيكة تقاوم الغبار المعدني بشكل أفضل عند درجة حرارة عالية؟

توفر السبائك 600 عمومًا مقاومة أفضل للغبار المعدني مقارنة بـ Incoloy 800HT في بيئات غازات معالجة الكربون-الغنية والمنخفضة- بالأكسجين، نظرًا لأن محتواها العالي من النيكل بشكل أكثر فاعلية يمنع تشبع الكربون الفائق الذي يبدأ هجوم الغبار المعدني.

يعد الغبار المعدني شكلاً كارثيًا من أشكال الكربنة التي تحدث في أجواء الغازات المفرطة التشبع بالكربون{0}}بين 400 إلى 800 درجة تقريبًا، حيث يتحلل سطح السبائك إلى غبار من جزيئات معدنية دقيقة وكربون. يتمتع النيكل بقابلية ذوبان وانتشار للكربون أقل بكثير من الحديد، لذا فإن السبائك التي تحتوي على محتوى أعلى من النيكل تقاوم بشكل عام بدء الغبار المعدني بشكل أفضل من السبائك الغنية بالحديد- والتي تحتوي على محتوى مماثل من الكروم.

نظرًا لأن Alloy 600 تحمل أكثر من ضعف محتوى النيكل الموجود في Incoloy 800HT، فإنها عادةً ما تقدم أداءً أفضل في إصلاح الغاز-، والغاز الاصطناعي، وبيئات العمليات الغنية بأنشطة الكربون -الأخرى- حيث يكون الغبار المعدني هو التهديد السائد، على الرغم من أن Incoloy 800HT يظل الخيار الأقوى لخدمة الزحف الهيكلي النقي في الأجواء المؤكسدة.

ما الذي أظهرته دراسات الشيخوخة-على المدى الطويل حول فقدان الليونة؟

تفقد كلتا السبيكتين بعض المرونة في درجة حرارة الغرفة- بعد آلاف الساعات عند درجة حرارة 800-900 درجة بسبب ترسيب كربيد حدود الحبوب، ولكن مورفولوجية كربيد Incoloy 800HT التي يتم التحكم فيها بشكل عام تؤدي إلى فقدان ليونة تدريجي أكثر قابلية للتنبؤ به من السبائك 600، والتي يمكن أن تظهر تقصفًا أكثر حدة إذا أصبحت أغشية كربيد حدود الحبوب - مستمرة.

يكون فقدان الليونة أثناء التقادم على المدى الطويل- مدفوعًا في المقام الأول بالانتقال من كربيدات الحدود المعزولة والمتقطعة- إلى شبكة كربيد مستمرة، مما يوفر مسارًا سهلاً لانتشار الشقوق بين الحبيبات بمجرد تبريد المادة وتحميلها في درجة حرارة الغرفة (على سبيل المثال، أثناء إيقاف التشغيل أو الدورة الحرارية). يساعد تصميم سبيكة Incoloy 800HT - بما في ذلك إضافات الألومنيوم والتيتانيوم، والتي تشكل أيضًا رواسب دقيقة داخل الحبيبات - على موازنة تكوين كربيد الحبوب- الحدودي ضد تقوية المصفوفة بشكل عام، مما ينتج عنه سلوك أكثر تسامحًا على المدى الطويل-. نظرًا لأن ترسيب الكربيد في Alloy 600 ليس متوازنًا بشكل مماثل من خلال التصميم، فإن التعرض المستمر عند درجة 800-900 يمكن أن ينتج شبكة كربيد حدودية أكثر استمرارية-وانخفاضًا أكثر حدة في درجة حرارة الغرفة-ليونة خلال حملات الخدمة الطويلة.

ما هي السبائك التي يجب اختيارها لتطبيقات محددة في درجات الحرارة المرتفعة؟

يجب أن يكون Incoloy 800HT هو الاختيار الافتراضي للمكونات الهيكلية طويلة الأمد- التي تعمل بشكل مستمر عند درجة حرارة 800-900 في أجواء مؤكسدة، في حين يظل Alloy 600 هو الاختيار الأفضل حيث تكون مقاومة الكربنة أو الغبار المعدني هي وضع الفشل السائد، أو عندما يتطلب المكون أيضًا مقاومة ممتازة للتآكل الناجم عن الكلوريد - في درجات حرارة منخفضة.

أنابيب فرن الانحلال الحراري للإيثيلين، وسلال دعم المحفز، وشماعات الأنابيب المشعة: إن قوة الزحف Incoloy 800HT - ومقاومة الأكسدة هي المتطلبات الحاكمة.

تعمل تركيبات المعالجة الحرارية، والكمامات، والمعوجات بشكل مستمر فوق 800 درجة: Incoloy 800HT - على المدى الطويل- يعد استقرار الأبعاد تحت الحمل أمرًا بالغ الأهمية.

الغاز الاصطناعي، ومصلح الهيدروجين، ومكونات العملية الغنية بالكربون-الأخرى-التي تقل درجة حرارتها عن 800 درجة تقريبًا: تعد السبائك 600 - من الغبار المعدني ومقاومة الكربنة هي المتطلبات الحاكمة.

المكونات التي تدور بين خدمة درجة الحرارة العالية-ودرجة الحرارة المنخفضة-المائي أو الكلوريد-تعرض المحامل: قد تكون هناك حاجة إلى سبيكة 600 - مدمجة لدرجات الحرارة العالية-ومقاومة SCC للكلوريد، على الرغم من أن سبيكة 690 غالبًا ما تكون مفضلة الآن للتصميمات الجديدة التي تتطلب كليهما.

تطبيقات البيئة المختلطة-: راجع التركيبة المحددة لغاز العملية ومستوى الضغط وعمر التصميم المطلوب، نظرًا لأن اختيار السبائك عند درجة حرارة 800-900 درجة يجب التحقق منه دائمًا وفقًا لوضع الفشل الحاكم، وليس درجة الحرارة وحدها.

الأسئلة المتداولة

يمكن للسبائك 600 أن تتحمل التعرض لفترة قصيرة- عند درجة حرارة 900 درجة، ولكن بالنسبة لخدمة تحمل الأحمال المستمرة-على مدار آلاف الساعات، فإن Incoloy 800HT هو الخيار الأفضل لأن حجم الحبيبات الذي يتم التحكم فيه والتقوية الأولية بالكربيد/غاما-توفر قوة تمزق زحف-أعلى بشكل كبير عند درجة الحرارة تلك.

لماذا يحدد Incoloy 800HT حجم الحبوب الخشنة عندما تعمل الحبوب الدقيقة عادة على تحسين القوة؟

تعمل الحبوب الدقيقة على تحسين القوة عند درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة المنخفضة عن طريق مقاومة حركة التفكك، ولكن عند درجة الحرارة المرتفعة تزيد من إجمالي مساحة حدود الحبوب المتاحة لانزلاق حدود الحبوب، وهي آلية تشوه الزحف السائدة فوق ما يقرب من 0.5 مرة من نقطة انصهار السبيكة؛ يقلل الهيكل الحبيبي الخشن من هذا التأثير ويحسن عمر التمزق-.

هل سبيكة 600 أكثر مقاومة للتآكل من Incoloy 800HT بشكل عام؟

توفر سبيكة 600 بشكل عام مقاومة أفضل للتشقق الناتج عن إجهاد الكلوريد وغبار المعادن بسبب محتواها العالي من النيكل، بينما توفر Incoloy 800HT مقاومة أفضل للأكسدة في الهواء الساخن وبيئات غاز الاحتراق بسبب محتواها العالي من الكروم، لذا تعتمد الإجابة على البيئة المسببة للتآكل المحددة بدلاً من كون سبيكة واحدة أكثر مقاومة للتآكل عالميًا.

هل التعرض لفترة طويلة-لدرجة حرارة 800-900 درجة يجعل أي من السبيكتين غير آمن للاستخدام بعد ذلك في درجة حرارة الغرفة؟

تحتفظ كلتا السبيكتين بقدرة مفيدة على -ليونة في درجة حرارة الغرفة بعد التعرض لفترة طويلة-لدرجة حرارة عالية-، على الرغم من توقع حدوث بعض الانخفاض وأخذه في الاعتبار عند التصميم؛ يجب فحص المكونات التي تمت إزالتها من خدمة درجة الحرارة المرتفعة-المدى الطويل-وتقييمها، حيثما يتطلب ذلك القانون المعمول به، للتأكد من ملاءمتها المستمرة للخدمة قبل إعادة استخدامها.

ما هي السبيكة الأكثر استخدامًا في أنابيب فرن تكسير الإيثيلين؟

يعد Incoloy 800HT ونظائره المصبوبة (مثل السبائك المعدلة HP-) أكثر شيوعًا لأنابيب أفران الانحلال الحراري للإيثيلين من السبائك 600، نظرًا لأن الأنابيب عبارة عن مكونات ضغط محملة- تعمل بشكل مستمر عند درجات حرارة حيث تتحكم قوة التمزق الزحف- في عمر التصميم.