Acero inoxidable Incoloy 800 frente a 310S: costo y rendimiento en hornos de craqueo de etileno

Los hornos de craqueo de etileno funcionan en algunos de los entornos metalúrgicos más hostiles de la industria de procesos: temperaturas del metal superiores a 900 grados, una atmósfera rica en carbono-de hidrocarburos craqueados y coque, y años de ciclos térmicos continuos entre la operación y la descoquización. Elegir la aleación incorrecta para un componente de horno no sólo acorta su vida útil - sino que también puede desencadenar una parada no planificada que le cuesta al operador del craqueador mucho más de lo que le costaría el material en sí.

Incoloy 800(UNS N08800)yacero inoxidable 310S(UNS S31008) son las dos aleaciones que se comparan más comúnmente para soportes de tubos, colgadores, deflectores y piezas de intercambiadores de líneas de transferencia-no-hardware de hornos radiantes -. Esta guía responde a las preguntas que los ingenieros realmente hacen cuando especifican entre ellos, con una respuesta clara primero y el razonamiento técnico detrás de ella.

¿Qué son los aceros inoxidables Incoloy 800 y 310S?

Incoloy 800 es una aleación de níquel-hierro-cromo construida alrededor de un alto contenido de níquel para resistencia a la corrosión a altas-temperaturas; 310S es un acero inoxidable austenítico con alto contenido de cromo- construido para ofrecer resistencia a la oxidación con un menor costo de material.

Incoloy 800(y sus variantes con mayor-carbono 800H y 800HT) es una solución-sólida-aleación de níquel-hierro-cromo reforzada desarrollada específicamente para un servicio sostenido en atmósferas de alta-temperatura, carbono- y azufre-. Su contenido de níquel - aproximadamente el doble que el del 310S - es la única característica de diseño que define cómo se comporta en un horno de craqueo.

310S es la variante baja-de carbono de la familia de acero inoxidable austenítico 25-20 (Tipo 310). Se basa en un alto contenido de cromo para formar una incrustación protectora y estable de óxido de cromo y se usa ampliamente en la industria de procesos donde se necesita resistencia a la oxidación a alta temperatura sin el costo de una aleación de níquel.

¿Cuál es la diferencia de composición clave entre las dos aleaciones?

El contenido de níquel es la diferencia decisiva: aproximadamente entre un 30 % y un 35 % en Incoloy 800 frente a aproximadamente un 19 % y un 22 % en 310S - y esa brecha es lo que impulsa todas las diferencias de rendimiento y costos analizadas en este artículo.

Tabla 1 - Rangos de composición nominal según ASTM B408/ASTM A240.

Destacan dos características. Primero, el mayor contenido de níquel del Incoloy 800 reduce la solubilidad y la tasa de difusión del carbono en la matriz metálica, que es la razón principal por la que resiste la carburación mejor que el 310S (que se analiza a continuación). En segundo lugar, las adiciones de aluminio y titanio del 800 forman finos precipitados intermetálicos que soportan una resistencia a temperaturas elevadas-- un beneficio que el 310S no tiene.

¿Qué aleación soporta temperaturas de horno más altas?

310S tiene un techo nominal ligeramente más alto para resistencia a la oxidación pura (hasta aproximadamente 1150 grados frente a aproximadamente 1100 grados para Incoloy 800), pero Incoloy 800 mantiene mejor su resistencia mecánica y estabilidad estructural en todo el rango de temperaturas en el que realmente opera un horno de craqueo.

La resistencia a la oxidación y el rendimiento estructural son dos propiedades diferentes, y aquí es donde las dos aleaciones se confunden con mayor frecuencia.. 310El alto contenido de cromo del S le otorga una excelente estabilidad a las incrustaciones en atmósferas limpias y oxidantes, por lo que es común en revestimientos de hornos, herrajes para hornos y cestas de tratamiento-térmico. Pero un horno de craqueo no es una atmósfera oxidante limpia - sino que combina una alta temperatura con una capa límite reductora rica en carbono- en la superficie del metal, además de una carga mecánica sostenida por el propio peso del tubo y los ciclos térmicos. En esas condiciones combinadas, Incoloy 800 - particularmente los grados 800H y 800HT - conserva una mayor resistencia a la fluencia y estabilidad dimensional, por lo que es la opción predeterminada para los internos de hornos que soportan carga en lugar del 310S.

¿Qué aleación resiste mejor la carburación?

Incoloy 800 resiste la carburación sustancialmente mejor que el 310S, porque su mayor contenido de níquel reduce tanto la solubilidad como la tasa de difusión interna del carbono a temperaturas del horno - y la carburación, no la simple oxidación, es el modo de falla dominante en el craqueo del hardware del horno.

La carburación ocurre cuando el carbono de los hidrocarburos craqueados o del coque adherido se difunde en la superficie del metal, formando carburos frágiles a lo largo de los límites de los granos. La capa carburizada pierde ductilidad y se vuelve propensa a agrietarse bajo las tensiones térmicas y mecánicas del ciclo normal del horno. Debido a que el níquel tiene una baja solubilidad en carbono, las aleaciones más ricas en níquel resisten este ataque mucho mejor que los grados de hierro-cromo. 310S, con solo 19-22 % de níquel, y son notablemente más susceptibles a la fragilización por carburación que el Incoloy 800 en el mismo servicio contaminado con coque-.

Un análisis de falla documentado de una línea de transferencia de salida de un horno de etileno lo deja claro: un tubo Incoloy 800H - que ya es una de las aleaciones más resistentes a la carburación-disponibles - se agrietó en todo su espesor de pared después de cinco años de servicio, una vez que los depósitos de coque elevaron la temperatura de la pared y expusieron la superficie interna a una atmósfera rica en carbono-el tiempo suficiente para volverla quebradiza. El caso ilustra dos cosas a la vez: la carburación es el mecanismo que los ingenieros de hornos deben diseñar por encima de todos los demás, e incluso Incoloy 800H no es a prueba de carburación-si no se controlan la coquización y el control de temperatura -, lo que hace que el 310S, mucho más susceptible al carbono-, sea una mala elección para cualquier zona de horno con contacto sostenido con coque.

¿Qué aleación tiene mejor-resistencia a la fluencia y carga-a largo plazo?

Incoloy 800 -, especialmente los grados 800H y 800HT -, ofrece una resistencia a la rotura por fluencia-significativamente mayor para los componentes que soportan carga-; 310S es adecuado solo para hardware de horno no-crítico y con carga ligera.

Los soportes de tubos de hornos, los soportes colgantes y las placas de tubos de intercambiadores de líneas-de transferencia soportan una carga mecánica sostenida a alta temperatura durante años entre cambios, por lo que la resistencia a la fluencia (la deformación lenta y permanente que ocurre bajo carga a alta temperatura) es tan importante como la resistencia a la corrosión. Incoloy 800H y 800HT utilizan un contenido de carbono controlado y un tamaño de grano más grueso específicamente para aumentar la fluencia-vida de rotura. 310S no fue diseñado con este objetivo y, si bien es útil para soportes, deflectores y partes internas sin-presión con carga ligera, no es la especificación preferida para ningún componente que deba soportar una carga estructural a la temperatura máxima del horno durante un período de funcionamiento de varios-años.

¿Qué aleación cuesta menos comprar?

El 310S cuesta menos por -kilogramo que el Incoloy 800, porque el níquel es el elemento de aleación más caro en ambos y el 310S contiene aproximadamente entre un 30 y un 40 % menos.

El precio de los metales básicos para ambas aleaciones varía con el precio del níquel en la Bolsa de Metales de Londres, pero el efecto es proporcional al contenido de níquel. Debido a que el Incoloy 800 contiene aproximadamente entre un 30% y un 35% de níquel, frente a aproximadamente un 19% y un 22% del 310S, su precio de fábrica por kilogramo es consistentemente más alto, y esa brecha se amplía cada vez que los precios del níquel aumentan. Para proyectos o componentes con presupuesto limitado-fuera de las zonas más severas del horno, esta diferencia de precio de compra-es una razón legítima para especificar 310S.

¿Qué aleación ofrece un costo total de propiedad más bajo?

No existe un ganador universal: Incoloy 800 generalmente gana en costo total de propiedad en zonas de alta-carburización y carga-porque evita fallas prematuras y tiempos de inactividad no planificados; El 310S normalmente gana en costo total de propiedad en zonas de menor-severidad donde su precio de compra más bajo no se compensa con ningún beneficio material.

El precio de compra es sólo una línea en la ecuación de costos. El valor de producción de un cracker de etileno asciende a millones de dólares por día, por lo que una interrupción no planificada causada por un soporte de tubo agrietado o una placa de tubo de línea de transferencia-carburizada puede costar mucho más que todo el presupuesto de material para ese componente - muchas veces, una vez que se incluyen la pérdida de producción, la mano de obra de reparación de emergencia y las piezas de repuesto aceleradas.

En zonas con contacto sostenido con coque, alta carga mecánica o acceso limitado para inspección, el mayor precio de compra de Incoloy 800 normalmente se recupera varias veces al extender la vida útil y evitar el tiempo de inactividad. En zonas de menor-temperatura y baja-carga con fácil acceso para inspecciones y reemplazos de rutina, esa misma prima genera pocos beneficios prácticos, y 310S es la especificación más racional.

¿Dónde se debe utilizar cada aleación en un horno de craqueo de etileno?

Reserve Incoloy 800/800H para componentes de soporte de carga-propensos a la carburación-- soportes y colgadores de tubos de sección radiante-, y placas de tubos y tubos de intercambiador de-líneas de transferencia - y use 310S para hardware de sección de-convección-de servicio más bajo, deflectores e partes internas sin-presión.

También vale la pena ser preciso sobre para qué se utiliza ninguna de las aleaciones: la bobina radiante en sí - el tubo de craqueo primario expuesto directamente a temperaturas de la cámara de combustión superiores a 1000 grados - normalmente se funde centrífugamente HK-40, HP o una aleación HP modificada, no Incoloy 800 o 310S. Incoloy 800 y 310S compiten por el hardware de soporte y el equipo de recuperación de calor del horno, no por el serpentín radiante.

Tabla 2 - Selección indicativa de aleaciones por zona del horno. Confirme siempre con la base de diseño mecánico del licenciante del horno y la temperatura real del metal-y el perfil de coquización de la planta.

¿Cómo debería elegir entre Incoloy 800 y 310S para su proyecto?

Base la decisión en cuatro preguntas - temperatura máxima del metal, exposición al carbón/coque, carga mecánica e intervalo de respuesta - en lugar de basarse únicamente en el precio de compra.

• Temperatura máxima del metal: ¿el componente excede regularmente aproximadamente los 815 grados, donde se aceleran tanto la fluencia como la carburación?
• Exposición al carbono: ¿está la superficie en contacto sostenido con hidrocarburos craqueados o depósitos de coque, o está aislada del gas de proceso?
• Servicio mecánico: ¿el componente soporta una carga límite estructural o de presión-o es un soporte, deflector o escudo con carga ligera?
• Intervalo de respuesta y acceso: ¿cuánto tiempo debe durar el componente entre inspecciones y qué tan perjudicial es un reemplazo no planificado?

Si la respuesta a las primeras tres preguntas se inclina hacia un servicio severo, Incoloy 800 (u 800H/800HT para las posiciones de carga más exigentes) es la opción técnica y económicamente sólida a pesar de su mayor precio de compra. Si el componente se ubica en una zona más fría, con menor-carga y fácilmente inspeccionable, el 310S ofrece un rendimiento adecuado a un costo significativamente menor.

Resumen

Preguntas frecuentes

¿Incoloy 800 es lo mismo que acero inoxidable 310?

No. Incoloy 800 es una aleación de níquel-hierro-cromo con aproximadamente entre un 30 y un 35 % de níquel, mientras que el 310S es un acero inoxidable de hierro-cromo-níquel con aproximadamente entre un 19 y un 22 % de níquel. Están relacionados en su aplicación, pero pertenecen a diferentes familias de aleaciones con diferentes propiedades reguladoras.

¿Se pueden soldar Incoloy 800 y 310S entre sí?

Sí, las soldaduras de metales-diferentes entre Incoloy 800 y 310S son comunes en la fabricación de hornos y normalmente se fabrican con un metal de aportación a base de níquel-para adaptarse a la diferencia en expansión térmica y composición entre las dos aleaciones.

¿Qué aleación se utiliza para la propia bobina radiante (tubo de craqueo)?

Ni Incoloy 800 ni 310S. Los serpentines radiantes normalmente utilizan aleaciones HK-40, HP o HP modificadas fundidas centrífugamente, que están diseñadas para las demandas extremas de temperatura y fluencia de la cámara de combustión. Incoloy 800 y 310S están especificados para soportar hardware, no la bobina en sí.

¿El 310S resiste en absoluto la carburación?

310S ofrece cierta resistencia a la carburación debido a su contenido de cromo, pero sustancialmente menos que Incoloy 800, porque la resistencia a la carburación aumenta principalmente con el contenido de níquel y 310S tiene aproximadamente la mitad de níquel que Incoloy 800.

¿Incoloy 800 es siempre la mejor opción independientemente del costo?

No. En zonas de hornos de menor-temperatura, baja-carga y fácil inspección, el 310S proporciona un rendimiento adecuado a un precio de compra más bajo, y especificar Incoloy 800 allí agrega costos sin un correspondiente beneficio-de vida útil.