インコロイ 800H と 800HT: 追加のチタンが重要になるのはどのような場合ですか?

インコロイ800、800H、および 800HT は、高温使用向けに設計された 3 つの密接に関連したニッケル-鉄-クロム合金です。-これらは同じ基本組成を共有しており、約 32% のニッケル、21% のクロム、46% の鉄と、微量の炭素、アルミニウム、チタンが含まれています。しかし、3 つのグレードは異なる ASTM 指定、ASME コードの異なる許容応力、および異なる価格を持っています。主な違いはカーボンとチタンの含有量の制御にあります。-この記事では、これらの違いがどのような場合に重要になるかを説明します。

これらの合金を指定した場合、「800HT は 800H よりもプレミアムな価値がありますか? 800HT の代わりに 800H を使用できますか? 800H の代わりに 800 を使用するとどうなりますか?」と疑問に思ったことがあるでしょう。これらの問題は、石油化学炉の設計、蒸気過熱器の配管、熱処理バスケット、および 600 度から 1000 度で動作する他の多くの用途で生じます。{6}}

この記事では、データに基づいた決定的な比較を提供します。{0}組成の違いを調べ、耐クリープ性におけるチタンの冶金学的役割を説明し、高温での機械的特性を比較し、ケーススタディを含む明確な選択ガイドラインを提供します。

最終的な結論:800HT は、チタン含有量がより高く制御されており (800H の . 0.15-0.60% に対して 0.85 ～ 1.20%)、より厳密なカーボン制御が組み合わされています。これにより、800HT は 700 度を超える温度でのクリープ-破断強度が 20～40% 高くなります。 700 度未満のアプリケーションの場合、800H と 800HT は機能的に同等です。 700 度を超える長期使用では、800HT はより長いクリープ寿命とより薄い壁の設計により、コストの割増に見合ったものになります。-

インコロイ 800 ファミリー: 3 つのグレード、1 つの基礎

インコロイ 800 は、高温用途向けのインコネル 600 の低ニッケル代替品として、1940 年代にインコ (現スペシャル メタルズ) によって開発されました。{2}この合金の鉄含有量 (約 46%) により、インコネルよりも大幅に安価になりましたが、それでも良好な耐酸化性と高温での適度な強度が得られました。

1960 年代までに、石油化学サービスの経験から、オリジナルの Alloy 800 は、炭素とチタンのレベルが制御されていないため、耐クリープ性に一貫性がないことが判明しました。これにより、高温強度を向上させるために炭素を 0.05 ～ 0.10% に制御した合金 800H (H =「高炭素」) が開発されました。-

1970 年代には、さらなる最適化が生み出されました。アロイ800HT(HT =「高温」)。800H の高炭素と制御されたチタン (0.85 ～ 1.20%) およびアルミニウム (0.15 ～ 0.60%) を組み合わせて、析出硬化によってクリープ-破断強度を最大化します。現在、3 つのグレードすべてが市場に共存しており、高温合金市場のさまざまなセグメントにサービスを提供しています。-

UNS 番号と ASTM 仕様

最終的な結論:UNS 番号に注意してください: N08800 (800)、N08810 (800H)、および N08811 (800HT)。これらは ASME コードでは互換性がありません-それぞれの許容応力値は異なります。商品名だけでなく、必ず UNS 番号で指定してください。

化学組成

最終的な結論:重要な組成の違いはチタンです。800HT には 0.85 ～ 1.20% の Ti が必要ですが、800 と 800H では 0.15 ～ 0.60% が許容されます。 800HT の Ti+Al の合計は 1.00 ～ 1.80% であるのに対し、800H では 0.30 ～ 1.20% です。この 2-3 倍の析出形成元素の増加により、800HT に優れたクリープ強度が与えられます。

高温（600 度以上）では、金属は応力を受けてゆっくりと変形します。-これは「クリープ」と呼ばれる現象です。クリープは、炉管、蒸気過熱器、改質器配管の寿命を制限する故障モードです。-クリープに対する強度を高めるには、次のいずれかが必要です。

• 固溶体の強化:金属格子に溶解した合金元素は転位の移動を妨げます。 800 シリーズ合金では、クロムとニッケルがこの効果をもたらします。

• 析出硬化：第二相の微粒子が結晶粒内に形成され、転位の動きや粒界の滑りを阻止します。 800HT では、チタンとアルミニウムがニッケルと結合してガンマプライム (Ni₃(Al,Ti)) 析出物を形成します。これは 600 ～ 900 度の温度で非常に効果的です。

合金 800HT は、析出硬化を最大化するように設計されています。チタン含有量が高いため、溶体化焼きなましとその後の高温での使用中に、ガンマプライム析出物の微細な分散がマトリックス全体に形成されます。これらの析出物はオーステナイト格子と半整合性があり、脆性を引き起こすことなく転位の動きを強力に妨げます。その結果、800H よりも大幅に高いクリープ-破断強度が得られます。

合金 800H は主に固溶強化 (溶液中の炭素) と粒界での炭化物の析出に依存しています。 Ti+Al 含有量が低いため、ある程度のガンマプライムを含んでいますが、完全な析出硬化効果を達成するには十分ではありません。- 700 度未満のサービスでは、これで十分です。 700 度を超えると、その差は重大になります。

室温および高温での機械的特性

室温特性

高温引張強さ-

表4: 高温引張強さの比較(代表値)-

最終的な結論:室温では、800H と 800HT は本質的に同じ引張特性を持ちます。温度が 700 度を超えると、800HT の強度の利点は劇的に高まります。-900 ～ 1,000 度では引張強度が最大 30% 向上します。これは実際の降水硬化効果です。{10}

クリープ-破断強度

高温設計では、クリープ破断強度が最も重要な特性です。{0}{1} ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II パート D では、クリープ データに基づいて許容応力が規定されています。次の表は、さまざまな応力レベルと温度での破断時間を示しています。-設計寿命を決定するデータです。

表 5: クリープ-破壊データの比較 - 800H と 800HT

ASME コードの許容応力

ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション II パート D では、さまざまな温度における各合金の最大許容応力値が規定されています。これらの値は、適切な安全係数を使用した最小引張強さ、降伏強さ、クリープ破断データから導出されます。-許容応力によって、圧力を含むコンポーネントに必要な最小肉厚が決まります。-。

表 6: ASME セクション II パート D の許容応力 - 800H 対 800HT

最終的な結論:700 度を超えると、ASME は 800H と比較して 800HT に対して 19 ～ 46% 高い応力を許容します。内圧がかかるチューブやパイプの場合、許容応力は必要な肉厚に反比例します。許容応力が 40% 高いということは、壁が 40% 薄くなり、材料が 40% 削減され、材料コストが 40% 削減されることを意味します。-これは、800H よりも 800HT に支払われる保険料を上回ることがよくあります。

耐酸化性および耐浸炭性

Incoloy 800 の 3 つのグレードはすべて、耐酸化性を決定する同じクロム含有量 (19 ～ 23%) を共有しています。表面に形成される保護酸化クロム (Cr₂O₃) スケールは、800、800H、および 800HT で同じです。したがって、耐酸化性は差別化要素ではありません。

最終的な結論:耐酸化性または耐浸炭性については、800H よりも 800HT を選択しないでください。-それらは同等です。 800HT を指定する唯一の理由は、700 度を超える温度でのクリープ-破断強度を高めるためです。

溶接と製作

コスト分析

800Hそれとも800HT?

業界の事例紹介

ケーススタディ: 1: スチームメタン改質装置 - 800HT によりより薄いチューブ設計が可能

中東の 2024 年の草の根水素プラントは、25 バールの設計圧力で出口温度 920 度で動作する水蒸気メタン改質管を指定しました。 Incoloy 800H を使用した初期設計では、100,000 時間のクリープ寿命要件を満たすために 15.2 mm の壁厚が必要でした。インコロイ 800HT に切り替えると、必要な肉厚が 11.8 mm (22% 削減) に減少し、次の結果が得られます。

- 材料の重量削減: 22%

- 材料コストの削減: ~12% (HT プレミアムを考慮した後)

- 壁が薄いため熱応力が低い（より速い熱伝達、より低い温度勾配）

- クリープ寿命マージンの延長: 推定 130,000 時間対最小 . 100,000 時間

重要な教訓: 900 度を超える温度では、800HT のより高い許容応力により、材料のプレミアムを相殺する以上に肉厚の削減が可能になります。

ケーススタディ: 2: エチレン分解炉 - 800HT はサイクル使用におけるチューブの寿命を延長します

東南アジアのエチレンクラッカーでは、85,000時間の稼働後に放射コイルチューブの早期故障が発生しました。オリジナルのチューブはインコロイ 800H として指定されていました。破損解析により、外表面でクリープ亀裂が始まり、30 ～ 40 日ごとのデコーキング操作による周期的な熱応力によって加速されることが明らかになりました。 2025 年の改修中に、工場は放射コイルをインコロイ 800HT に置き換えました。

新しい 800HT 真空管を 50,000 時間使用した後:

- クリープ亀裂は検出されませんでした

- 残存寿命の評価: 最低 80,000 時間の追加

- デコッキングサイクルが 45 日に延長されました (熱サイクルが短縮されました)

重要な教訓: 周期的な高温使用では、800HT のガンマプライム析出物は 800H よりもクリープ疲労相互作用に対して優れた耐性を発揮します。{0}{2}

ケーススタディ: 3: 蒸気過熱器 - 800H は中程度の温度で適切であることが証明されました

インドの 600 MW 石炭火力発電所では、蒸気過熱器出口ヘッダーが蒸気温度 540 度、最大金属温度 580 度で動作することが指定されています。-オリジナルの設計は 800H と 800HT の両方を考慮しました。分析により次のことがわかりました。

- 580 度、ASME 許容応力 800H=92 MPa、800HT=97 MPa (わずか 5% の差)

- 設計寿命要件: 200,000 時間 (この温度では両方とも容易に満たされます)

- クリープは制御的な故障モードではありません。酸化と浸食が懸念される

工場ではインコロイ 800H を選択し、耐用年数を犠牲にすることなく、800HT に比べて材料コストを 12% 削減することができました。 15 年間の運用後も、ヘッダーはクリープ関連の問題なく使用され続けています。-

重要な教訓: 650 度未満の温度では、800H と 800HT は機能的に同等です。 800HT プレミアムにはメリットがありません。

ケーススタディ: 4: 元の仕様に一致する-種類-での交換

米国の製油所での 2023 年のメンテナンス プロジェクトでは、180,000 時間の使用後に少量の漏れが発生したインコロイ 800H 炉管の一部の交換が必要になりました。調達チームは、代替品を「改善」するために 800HT の代替品を検討しましたが、エンジニアリング分析により、次の 2 つの懸念事項が特定されました。

1. 残りの元の 800H チューブは、新しい 800HT チューブとは異なる速度でクリープを続け、移行溶接部に応力集中が生じる可能性があります。

2. ASME コード-の必要書類と検査制度は 2 つのグレード間で若干異なります。

プロジェクトは、Incoloy 800H を使用した正確な現物交換を進め、既存のシステムとの冶金的および機械的な互換性を確保しました。{0}

重要な教訓: 修理や交換の場合は、完全なエンジニアリングの再評価によって変更が正当化されない限り、常に元の材料グレードと一致させてください。

製品の形状と仕様

避けるべき一般的な仕様の間違い

1. H、HT指定なしで「インコロイ800」を指定する場合

結果: 800H/800HT よりも炭素が少なく、クリープ強度が低い合金 800 (UNS N08800) が使用される可能性があります。

正しいアプローチ: 常に UNS 番号で指定します: 800H の場合は N08810、800HT の場合は N08811

2. エンジニアリングレビューを行わずに 800HT を 800H に置き換える

結果: 750 度を超える温度では、800H のクリープ寿命は設計値より 20 ～ 40% 短くなります。

正しいアプローチ: 肉厚とクリープ寿命を再計算せずに、800H を 800HT に置き換えないでください。

3. 800H で十分な場合に 800HT を使用する

結果: 適度な温度ではパフォーマンス上のメリットがなく、資材予算の 10 ～ 15% が無駄になります。

正しいアプローチ: 750 度を超えるアプリケーション、または設計寿命の延長要件が必要なアプリケーション用に 800HT を予約します。

4. 粒度を検証していない

結果: 細粒サイズ (ASTM 6-8) は、粗粒 (ASTM 3-5) と比較してクリープ強度を 15 ～ 30% 低下させます。

正しいアプローチ: 粒度 5 以上を指定します。粗いほどクリープに優れています

5. 溶体化焼鈍温度差の見落とし

結果: 800HT には最低 1175 度が必要です。 800H は 1150 度だけ必要です。 -焼き鈍しが不十分な材料では、完全なクリープ強度が発現しません

正しいアプローチ: 各グレードに正しいアニーリング温度を指定する

まとめ