インコロイ 800 対 310S ステンレス鋼: エチレン分解炉のコストとパフォーマンス

エチレン分解炉は、900 度を超える金属温度、分解された炭化水素とコークスからの炭素が豊富な雰囲気、運転とデコーキングの間の何年もの継続的な熱サイクルなど、プロセス産業で最も過酷な冶金環境の一部を操作します。炉のコンポーネントに間違った合金を選択すると、その寿命が短くなるだけではありません - 計画外の停止を引き起こし、材料そのものよりもはるかに高い費用がクラッカー作業員にかかる可能性があります。

インコロイ800(UNS N08800)そして310S ステンレス鋼(UNS S31008) は、非輻射炉ハードウェア-チューブ サポート、ハンガー、バッフル、移送ライン交換器部品-として最も一般的に比較される 2 つの合金です。このガイドでは、エンジニアがそれらの間で指定する際に実際に尋ねる質問に、最初に明確な答えとその背後にある技術的根拠を示して答えます。

インコロイ800および310Sステンレス鋼とは何ですか?

インコロイ 800 は、ニッケル-鉄-クロム合金で、高温耐食性を高めるためにニッケル含有量を多く含んでいます。- 310S は、より低い材料コストで耐酸化性を実現するために作られた高-クロム オーステナイト系ステンレス鋼です。

インコロイ800（およびその高炭素バージョンである 800H および 800HT）は、高温、炭素-、硫黄を含む-雰囲気での持続的な使用のために特別に開発された固溶体--強化ニッケル-鉄-クロム合金です。ニッケル含有量 - は 310S の約 2 倍です - が、分解炉内での挙動を決定する唯一の設計上の特徴です。

310S は、25-20 オーステナイト系ステンレス鋼ファミリー (タイプ 310) の低炭素版です。高いクロム含有量に依存して安定した保護酸化クロムスケールを形成し、ニッケル合金のコストをかけずに高温での耐酸化性が必要なプロセス産業全体で広く使用されています。

2 つの合金の主な組成の違いは何ですか?

決定的な違いはニッケル含有量です。Incoloy 800 では約 30 ～ 35%、310S - では約 19 ～ 22% であり、この差がこの記事で説明するあらゆるパフォーマンスとコストの違いを生み出す原因となります。

表 1 - ASTM B408 / ASTM A240 に基づく公称組成範囲。

2つの特徴が際立っています。まず、インコロイ 800 のニッケル含有量が高いため、金属マトリックス中の炭素の溶解度および拡散速度が低下します。これが、インコロイ 800 が 310S よりも耐浸炭性に優れる主な理由です (後述)。第二に、800 のアルミニウムとチタンの添加により微細な金属間化合物析出物が形成され、310S にはない高温強度-がサポートされます-。

より高い炉温度に耐える合金はどれですか?

310S は、純粋な耐酸化性の定格上限がわずかに高くなります (インコロイ 800 の約 1100 度に対して約 1150 度まで)。しかし、インコロイ 800 は、分解炉が実際に動作する温度範囲全体にわたって機械的強度と構造安定性をより良く保持します。

耐酸化性と構造性能は 2 つの異なる特性であり、この点が 2 つの合金が最もよく混同されるところです。{0}S はクロム含有量が高いため、清浄な酸化雰囲気下で優れたスケール安定性を示します。そのため、炉のライニング、窯のハードウェア、熱処理バスケットに S が一般的です。{1}}しかし、分解炉はきれいな酸化雰囲気ではありません。-高温と金属表面の還元性の炭素が豊富な境界層が組み合わされており、さらにチューブの自重と熱サイクルによる持続的な機械的負荷がかかります。-これらの組み合わせ条件下では、インコロイ 800 -、特に 800H および 800HT グレード - は、より高いクリープ強度と寸法安定性を維持します。そのため、310S ではなく耐荷重炉内部のデフォルトの選択肢となっています。-

どの合金が耐浸炭性に優れていますか?

インコロイ 800 は、310S よりも浸炭に対する耐性が大幅に優れています。これは、ニッケル含有量が高いため、炉温度 - での炭素の溶解度および内部拡散速度の両方が低下し、分解炉ハードウェアの主な故障モードは単純な酸化ではなく浸炭であるためです。

浸炭は、分解された炭化水素または付着したコークスからの炭素が金属表面に拡散し、粒界に沿って脆い炭化物を形成するときに発生します。浸炭層は延性を失い、通常の炉サイクルの熱的および機械的ストレス下で亀裂が発生しやすくなります。ニッケルは炭素の溶解度が低いため、ニッケルが豊富に含まれる合金は、同じコークスで汚染された使用において、インコロイ 800 よりも著しく浸炭脆化の影響を受けやすい鉄-クロム グレード. 310S（ニッケルが 19～22% しか含まれていない）よりも、この攻撃に対する耐性がはるかに優れています。-

エチレン炉の出口移送ラインの文書化された故障解析は、その点をよく示しています。インコロイ 800H チューブ - は、すでに入手可能な耐浸炭性合金の 1 つであり-、コークスの堆積により壁の温度が上昇し、内面が脆化するのに十分な時間にわたって炭素の豊富な雰囲気にさらされると、5 年間の使用後に肉厚全体に亀裂が入りました。-。この事例は 2 つのことを同時に示しています。浸炭は炉の技術者が他の何よりも設計しなければならないメカニズムであり、インコロイ 800H ですら-コークス化と温度制御が管理されていない場合には浸炭耐性がありません-。そのため、はるかに炭素の影響を受けやすい 310S は、コークスとの接触が継続する炉ゾーンでは不適切な選択肢となります。-

長期の-クリープと荷重-の耐力強度に優れているのはどの合金ですか?

インコロイ 800 -、特に 800H および 800HT グレード - は、耐荷重コンポーネントに対して大幅に高いクリープ-破断強度-を提供します。 310S は、負荷が軽く、重要ではない炉ハードウェアにのみ適しています。-

炉管サポート、ハンガー、トランスファー ライン交換器の管板は、ターンアラウンドの間に何年にもわたって高温で持続的な機械的負荷にさらされるため、耐クリープ性（高温での負荷下で発生するゆっくりとした永久変形）は、耐食性と同じくらい重要です。インコロイ 800H および 800HT は、特にクリープ-破断寿命. 310を高めるために、制御された炭素含有量とより粗い粒子サイズを使用しています。この目的で設計されたものではありません。軽負荷のブラケット、バッフル、および非圧力内部構造には使用できますが、数年の稼働期間にわたってピーク炉温度で構造負荷を負担する必要があるコンポーネントには推奨されない仕様です。-

どの合金の購入コストが安くなりますか?

310S は、インコロイ 800 よりもキログラムあたりのコストが低くなります。これは、どちらの合金元素でもニッケルが最も高価であり、310S の含有量はおよそ 30～40% 少ないためです。-

両方の合金の卑金属価格はロンドン金属取引所のニッケル価格に応じて変動しますが、その影響はニッケル含有量に比例します。インコロイ 800 には約 30 ～ 35% のニッケルが含まれているのに対し、310S には約 19 ～ 22% のニッケルが含まれているため、1 キログラムあたりの工場価格は一貫して高く、ニッケル価格が高騰するたびにその差は拡大します。予算に制約のあるプロジェクトや炉の最も厳しいゾーン外のコンポーネントの場合、この購入価格の差は 310S を指定する正当な理由となります。-

より低い総所有コストを実現する合金はどれですか?

普遍的な勝者は存在しません。通常、Incoloy 800 は、早期の故障や計画外のダウンタイムを回避するため、浸炭、耐荷重の高いゾーンでは総所有コストの点で優れています。-通常、310S は、より低い購入価格が実質的なメリットによって相殺されない、より低い重大度のゾーンで総所有コストで有利になります。{4}}

購入価格はコスト計算式の 1 行にすぎません。エチレン クラッカーの生産価値は 1 日あたり数百万ドルに達するため、チューブ ハンガーのひび割れや移送ラインのチューブシートの浸炭による計画外の停止は、そのコンポーネントの材料予算全体よりもはるかに高額になる可能性があります。-、生産が失われた場合、緊急修理の労力、および迅速な交換部品を含めると、その何倍もの費用がかかります。

継続的なコークス接触、高い機械的負荷、または検査のためのターンアラウンドアクセスが制限されているゾーンでは、通常、インコロイ 800 のより高い購入価格は、耐用年数の延長とダウンタイムの回避によって数倍回収されます。定期的な点検や交換に簡単にアクセスできる低温、低負荷ゾーンでは、同じプレミアムを支払っても実際的なメリットはほとんどなく、310S がより合理的な仕様です。

各合金はエチレン分解炉のどこで使用されるべきですか?

インコロイ 800/800H は浸炭-されやすい-耐荷重コンポーネント - 放射セクションのチューブ サポートとハンガー -、トランスファー-ライン交換器のチューブとチューブシート - 用に予約し、低負荷の-対流-セクションのハードウェア、バッフル、および非圧力内部構造。-

また、どちらの合金も何に使用されていないのかを正確に把握する価値があります。放射コイル自体 - 1000 度を超える火室温度に直接さらされる一次分解管 - は通常、インコロイ 800 や 310S ではなく、遠心鋳造された HK-40、HP、または改良 HP 合金です。インコロイ 800 と 310S は、放射コイルではなく、炉のサポートハードウェアと熱回収装置をめぐって競合します。

表 2 - 炉ゾーン別の代表的な合金の選択。炉ライセンサーの機械設計の基礎と、プラントの実際の金属温度とコークス化プロファイルを常に確認してください。{2}}

プロジェクトに合わせて Incoloy 800 と 310S のどちらを選択すればよいでしょうか?

購入価格だけではなく、ピーク金属温度、炭素/コークスへの曝露、機械的負荷、納期間隔 - の 4 つの質問に基づいて決定します。

• 金属のピーク温度: コンポーネントは定期的に約 815 度を超えますか? この温度では、クリープと浸炭の両方が加速されますか?
• 炭素への曝露: 表面は分解された炭化水素またはコークス堆積物と継続的に接触していますか? それともプロセスガスから隔離されていますか?
• 機械的義務: コンポーネントは構造荷重または圧力境界荷重を担っていますか?{0}}それとも軽い荷重がかかったブラケット、バッフル、またはシールドですか?
• ターンアラウンド間隔とアクセス: コンポーネントは次の検査までどれくらいの期間使用しなければなりませんか?また、計画外の交換はどの程度の混乱をもたらしますか?

最初の 3 つの質問に対する答えが厳しいサービスに傾いている場合は、購入価格は高くなりますが、Incoloy 800 (または最も要求の厳しい耐荷重位置の場合は 800H/800HT) が技術的かつ経済的に適切な選択です。-コンポーネントが低温で負荷が低く、検査が容易なゾーンに設置されている場合、310S は大幅に低いコストで適切なパフォーマンスを提供します。-

まとめ

よくある質問

インコロイ 800 は 310 ステンレス鋼と同じですか?

いいえ、インコロイ 800 は約 30～35% のニッケルを含むニッケル-鉄-クロム合金で、310S は約 19～22% のニッケルを含む鉄-クロム-ニッケルステンレス鋼です。これらは用途においては関連していますが、異なる支配特性を持つ異なる合金族に属しています。

インコロイ800と310Sは溶接できますか?

はい、インコロイ 800 と 310S の間の異種金属溶接は炉の製造では一般的であり、通常は 2 つの合金間の熱膨張と組成の差に対応するためにニッケル ベースの溶加材を使用して行われます。-

放射コイル（クラッキングチューブ）自体にはどのような合金が使用されていますか？

インコロイ800でも310Sでもない。放射コイルは通常、遠心鋳造された HK-40、HP、または改良 HP 合金を使用しており、火室の極端なクリープと温度の要求に合わせて設計されています。インコロイ 800 および 310S は、コイル自体ではなく、ハードウェアをサポートするために指定されています。

310S は浸炭にまったく耐えられますか?

310S はクロム含有量によりある程度の耐浸炭性を提供しますが、浸炭抵抗性は主にニッケル含有量に応じて変化し、310S のニッケル含有量はインコロイ 800 の約半分であるため、インコロイ 800 よりも大幅に低くなります。

コストに関係なく、常にインコロイ 800 がより良い選択ですか?

いいえ。低温、低負荷、検査が容易な炉ゾーンでは、310S はより低い購入価格で適切なパフォーマンスを提供しますが、そこで Incoloy 800 を指定すると、対応する耐用年数のメリットが得られずにコストが増加します。-