در کدام کاربردهای خاص لوله Incoloy 909 باید نسبت به Incoloy 800HT انتخاب شود؟

1. س: تفاوت های اساسی ترکیبی و متالورژیکی بین لوله های Incoloy 909 و Incoloy 800HT چیست؟

A:Incoloy 909 و Incoloy 800HT کاربردهای کاملاً متفاوتی دارند و تفاوت‌های آنها با فلسفه‌های طراحی آلیاژ اساساً متفاوت شروع می‌شود.

Incoloy 909 (UNS N09909)یک آلیاژ آهن-نیکل-کبالت است که به طور خاص برای برنامه‌های توسعه کنترل‌شده- مهندسی شده است. ترکیب اسمی آن 38-42٪ نیکل، 12-16٪ کبالت، 4.5-6.0٪ نیوبیم، 1.3-1.8٪ تیتانیوم و آهن متعادل است. به طور بحرانی، تقریباً فاقد کروم است (معمولاً حداکثر 0.25٪). فقدان کروم عمدی{15}}کروم است که ویژگی‌های انبساط حرارتی کم را که این آلیاژ را تعریف می‌کند، مختل می‌کند. در عوض، Incoloy 909 خواص خود را از طریق سخت شدن بارش از طریق نیوبیوم و تیتانیوم، که فازهای Ni3 (Nb، Ti) و Ni3 (Ti، Al) را تشکیل می دهند، به دست می آورد. این آلیاژ همچنین با ضرایب بسیار پایین انبساط حرارتی (CTE)، تقریباً 5-6 × 10-6 / درجه فارنهایت (9-11 × 10-6 / درجه) از دمای اتاق تا 800 درجه فارنهایت (427 درجه)، قابل مقایسه با شیشه بوروسیلیکات و مواد سرامیکی مشخص می شود.

Incoloy 800HT (UNS N08811)در مقابل، آلیاژی-مقاوم در برابر خزش-در حرارت بالا از خانواده آهن-نیکل-کروم است. ترکیب آن 30-35٪ نیکل، 19-23٪ کروم، 0.06-0.10٪ کربن، 0.15-0.60٪ آلومینیوم، 0.15-0.60٪ تیتانیوم و آهن متعادل است. محتوای بالای کروم (19 تا 23 درصد) مقاومت استثنایی در برابر اکسیداسیون و کربوریزه شدن را در دماهای بالا ایجاد می کند. اضافات آلومینیوم و تیتانیوم، همراه با آنیل محلول در دمای بالا (حداقل 2150 درجه فارنهایت / 1177 درجه)، باعث تقویت بارندگی و بهینه سازی ساختار دانه برای مقاومت در برابر خزش می شود. Incoloy 800HT دارای ضریب انبساط حرارتی تقریباً 8.5-9.5 × 10-6 / درجه فارنهایت (15-17 × 10-6 / درجه) است که به طور قابل توجهی بالاتر از Incoloy 909 است.

مفاهیم متالورژی:Incoloy 909 برای پایداری ابعادی و مدول الاستیسیته ثابت در محدوده دمایی طراحی شده است. انبساط کم آن امکان جفت شدن آن را با سرامیک، شیشه یا سایر مواد با انبساط کم-بدون ایجاد تنش های ناسازگار حرارتی فراهم می کند. با این حال، کمبود کروم آن را برای محیط‌های اکسیدکننده با دمای بالا نامناسب می‌کند-به سرعت در مقیاس بالاتر از 1200 درجه فارنهایت (649 درجه) اکسید می‌شود. برعکس، Incoloy 800HT برای خدمات با دمای بسیار بالا{10}تا 1800 درجه فارنهایت (982 درجه) طراحی شده است و برای محافظت به مقیاس اکسید کروم خود متکی است. نمی تواند با گسترش کم Incoloy 909 مطابقت داشته باشد.

انتخاب بین آنها مستلزم پاسخ به یک سوال است: آیا برنامه تقاضا دارد؟انبساط حرارتی کم با قابلیت دمای متوسط(Incoloy 909 را انتخاب کنید) یامقاومت در برابر خزش و اکسیداسیون در دمای بالا-(Incoloy 800HT را انتخاب کنید)؟

---

2. س: چرا لوله Incoloy 909 علیرغم کمبود کروم در کاربردهای توربین گاز و موتورهای هوا استفاده می شود؟

A:لوله Incoloy 909 نه به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، بلکه به دلیل ترکیب منحصربه‌فردش در توربین‌های گازی و موتورهای هوا{1} کاربرد حیاتی دارد.انبساط حرارتی کم، مدول الاستیسیته ثابت و استحکام بالادر دماهای تا 1200 درجه فارنهایت (649 درجه). این ویژگی ها مشکلات طراحی خاصی را حل می کند که هیچ آلیاژ دیگری نمی تواند آنها را حل کند.

انبساط حرارتی کنترل شده:در موتورهای توربین گاز، اجزایی مانند محفظه‌های کمپرسور، شفت‌ها، و مهر و موم‌ها باید فاصله‌های محکمی را در محدوده دمایی وسیع- از شرایط شروع سرد در دمای محیط تا دمای عملیاتی کامل بیش از 1000 درجه فارنهایت (538 درجه) حفظ کنند. اگر بدنه بیشتر از اجزای چرخان داخلی منبسط شود، فاصله ها افزایش می یابد و باعث کاهش راندمان و افزایش مصرف سوخت می شود. اگر پوشش کمتر منبسط شود، تداخل ایجاد می‌شود که منجر به ساییدگی، سایش یا تشنج فاجعه‌بار می‌شود. CTE پایین Incoloy 909 (تقریباً 5.5 × 10-6/ درجه فارنهایت) با سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل (مثلاً Inconel 718، Waspaloy) که برای دیسک‌ها و پره‌های توربین استفاده می‌شود، کاملاً مطابقت دارد. این تطبیق فاصله های ثابتی را در تمام شرایط عملیاتی حفظ می کند، کارایی را بهینه می کند و سایش را کاهش می دهد.

مدول الاستیسیته ثابت (E) با دما:اکثر آلیاژها کاهش قابل توجهی در سفتی (مدول یانگ) با افزایش دما نشان می دهند. Incoloy 909 طوری طراحی شده است که مدول تقریباً ثابتی را تا حدود 800-1000 درجه فارنهایت (427-538 درجه) حفظ کند. این ویژگی برای شفت‌های دوار که در آن سرعت‌های بحرانی (فرکانس‌های طبیعی) با دما تغییر می‌کنند، حیاتی است. مدول ثابت از عبور رزونانس که می تواند باعث ارتعاش مخرب شود جلوگیری می کند. طراحان می‌توانند دینامیک شفت را بدون مدل‌های وابسته به دما{9}}با دقت پیش‌بینی کنند.

بارندگی-قدرت سخت شده:از طریق پیری کنترل شده (محلول آنیل در 1800 درجه فارنهایت / 982 درجه و پس از پیری در 1325 درجه فارنهایت / 718 درجه و 1150 درجه فارنهایت / 621 درجه)، Incoloy 909 به قدرت تسلیم 100-130 ksi (690-896 MPa) دست می یابد. این سطح استحکام، همراه با انبساط کم، ساختارهای دیواری نازک-که باعث کاهش وزن می‌شوند{13}}در کاربردهای هوافضا بسیار مهم است.

چرا از Incoloy 800HT استفاده نمی کنید؟Incoloy 800HT دارای CTE تقریباً دو برابر Incoloy 909 است. در کاربرد پوشش توربین گاز، استفاده از 800HT باعث تغییرات غیرقابل قبولی در ترخیص می شود که منجر به تلفات بازده یا تداخل مکانیکی می شود. محتوای کروم بالای Incoloy 800HT و مقاومت در برابر اکسیداسیون در این برنامه بی‌اهمیت است زیرا لوله در معرض گازهای احتراق قرار نمی‌گیرد-این لوله هوای کمپرسور را کنترل می‌کند یا به عنوان خط نفت یا سوخت در محیط‌های کنترل‌شده دما عمل می‌کند.

کاربردهای معمولی:خطوط هوای تخلیه کمپرسور، محفظه های مهر و موم شفت، تکیه گاه های بلبرینگ، خطوط محرک و لوله کشی سیستم اندازه گیری سوخت. در این نقش ها، ثبات ابعادی Incoloy 909 عملکرد قابل اعتماد را در هزاران سیکل حرارتی تضمین می کند.

---

3. س: چرا لوله Incoloy 800HT ماده ترجیحی برای خدمات پتروشیمی با دمای بسیار بالا است که در آن Incoloy 909 از کار می افتد؟

A:لوله Incoloy 800HT بر کاربردهایی که شامل قرار گرفتن در معرض دمای بالا و پایدار بالای 1200 درجه فارنهایت (649 درجه ) در اتمسفرهای اکسید کننده، کربوردار یا نیتریدکننده هستند غالب است. در این محیط‌ها، Incoloy 909 دچار تخریب سریع و فاجعه‌بار می‌شود. سه ویژگی خاص برتری 800HT را توضیح می دهد.

اول، مقاومت در برابر اکسیداسیون مبتنی بر کروم-.Incoloy 800HT حاوی 19 تا 23 درصد کروم است که یک مقیاس اکسید کروم (Cr2O3) پیوسته، چسبنده و خود ترمیم شونده (Cr2O3) را در تمام سطوح در معرض تشکیل می دهد. این مقیاس از فلز زیرین در برابر اکسیژن، کربن، نیتروژن و گوگرد در دمای تقریباً 1800 درجه فارنهایت (982 درجه) محافظت می کند. Incoloy 909 تقریباً حاوی کروم نیست (0.25٪ حداکثر). در دماهای بالاتر از 800 درجه فارنهایت (427 درجه) در هوا، Incoloy 909 شروع به تشکیل مقیاس غیر محافظ اکسید آهن (زنگ) می‌کند که به آسانی می‌پاشد. در دمای 1200 درجه فارنهایت (649 درجه)، اکسیداسیون شدید می شود و نرخ تلفات فلزات بر حسب اینچ در سال اندازه گیری می شود. در یک کوره ترک اتیلن که در دمای 1600 تا 1700 درجه فارنهایت (870 تا 927 درجه فارنهایت) کار می کند، لوله Incoloy 909 در عرض چند هفته یا چند ماه کاملاً اکسید می شود.

دوم، مقاومت در برابر کربوریزاسیون.در خدمات هیدروکربنی مانند اصلاح بخار متان یا ترک اتیلن، گازهای حاوی کربن (CH4، CO، C2H4) در دمای بالا، کربن را در سطوح آلیاژ پخش می‌کنند- پدیده‌ای به نام کربن‌سازی. لایه های کربوره شکننده می شوند، شکل پذیری خود را از دست می دهند و ناهماهنگی شدید انبساط حرارتی ایجاد می کنند. محتوای نیکل بالای Incoloy 800HT (30-35٪) حلالیت و انتشار کربن را کاهش می دهد. مقیاس اکسید کروم آن به عنوان یک مانع فیزیکی عمل می کند. Incoloy 909، با وجود نیکل بالا (38-42%)، فاقد مقیاس اکسید کروم است و به سرعت کربوره می شود و کاربیدهای فلزی شکننده ای را تشکیل می دهد که شکل پذیری را از بین می برد.

سوم، قدرت خزش در دماهای شدید.Incoloy 800HT به طور خاص برای مقاومت در برابر خزش در 1600-1800 درجه فارنهایت (870-982 درجه) طراحی شده است. ساختار دانه درشت و کنترل شده آن (که از طریق بازپخت محلول در حداقل 2150 درجه فارنهایت / 1177 درجه به دست می آید) و تقویت بارش از فازهای Ni3(Al, Ti) مقاومت استثنایی در برابر تغییر شکل وابسته به زمان تحت تنش حلقه پایدار ایجاد می کند. Incoloy 909 برای دماهای متوسط ​​(تا 1200 درجه فارنهایت / حداکثر 649 درجه) طراحی شده است. در بالای 1200 درجه فارنهایت، تقویت آن باعث رسوب بیش از حد می شود و به سرعت درشت می شود و کارایی خود را از دست می دهد. ویژگی های انبساط کم آلیاژ زمانی که مواد تحت وزن خود فرورفته و برآمده می شوند بی ربط می شوند.

حالت های شکست مقایسه ای:در هدر خروجی کوره اصلاح کننده در 1650 درجه فارنهایت (899 درجه) با فشار داخلی 400 psi (2.8 مگاپاسکال):

Incoloy 800HT کرنش خزشی آهسته و قابل پیش بینی تقریباً 0.1-0.2٪ در سال را تجربه می کند و عمر مفید 10+ سال را فراهم می کند.

Incoloy 909 اکسیداسیون سریع، کربوریزه شدن و کرنش خزشی بیش از 1% در ماه را تجربه می کند که منجر به پارگی در عرض چند هفته می شود.

نمونه های کاربردی که در آن 800HT اجباری است:لوله‌های کوره‌های ترک اتیلن، مبدل‌های خط انتقال، پیگتیل‌ها و منیفولدهای اصلاح‌کننده هیدروژن، دیگ‌های حرارتی زباله کارخانه آمونیاک، و لوله‌های سوپرهیتر در نیروگاه‌های فوق‌بحرانی فوق‌بحرانی پیشرفته-.

---

4. س: الزامات جوشکاری حیاتی برای لوله های Incoloy 909 در مقابل Incoloy 800HT چیست؟

A:جوشکاری Incoloy 909 و Incoloy 800HT به دلیل متالورژی متمایزشان به رویکردهای اساسی متفاوتی نیاز دارد. اعمال روش اشتباه منجر به ترک خوردگی، از بین رفتن خواص یا خرابی زودرس سرویس می شود.

برای لوله Incoloy 909:

انتخاب فلز پرکننده:استفاده کنیدERNiFeCr-2(فیلر اینکونل 718) یا تخصصیERNiCo-1(شبیه به ترکیب آلیاژ 909). پرکننده باید با ویژگی های انبساط کم فلز پایه مطابقت داشته باشد. هرگز از پرکننده‌های با انبساط بالا (مثلاً فولاد ضد زنگ 308L یا ERNiCr-3) استفاده نکنید که تنش‌های پسماند و ترک‌خوردگی ناسازگار حرارتی را در طول چرخه حرارتی ایجاد می‌کنند.

حساسیت شدید به کرنش-سن:Incoloy 909 به شدت مستعد کرنش است-ترک ناشی از سن-پدیده ای که در آن سخت شدن بارندگی در طی{3}}عملیات حرارتی پس از جوشکاری، تنش هایی را ایجاد می کند که گرمای جوش را ترک می کند-منطقه تحت تأثیر. راهبردهای پیشگیری عبارتند از:

محلول لوله را قبل از جوشکاری بازپخت کنید (شرایط نرم)

با حداقل محدودیت جوش داده و تا دمای 300 تا 400 درجه فارنهایت (149 تا 204 درجه) پیش گرم کنید.

عملیات حرارتی پس از جوشکاری آهسته و کنترل‌شده{0}}را انجام دهید: سطح شیب دار تا 1325 درجه فارنهایت (718 درجه) در حداکثر 200 درجه فارنهایت (93 درجه) در ساعت، 8 ساعت نگه داشتن، خنک شدن کوره تا 1150 درجه فارنهایت (621 درجه) در حداکثر 200 درجه فارنهایت در ساعت، 8 ساعت نگه داشتن تا دمای اتاق پایین

از خاموش کردن یا خنک شدن سریع خودداری کنید

کنترل حرارت ورودی:حداکثر دمای بینگذر: 300 درجه فارنهایت (149 درجه). ورودی گرما به 20 تا 35 کیلوژول در اینچ (8 تا 14 کیلوژول بر سانتی متر) محدود می شود. گرمای ورودی بیشتر باعث جداسازی نیوبیم و ذوب اولیه می شود.

برای لوله Incoloy 800HT:

انتخاب فلز پرکننده:استفاده کنیدERNiCr-3(AWS A5.14) برای خدمات عمومی. برای خواستارترین خدمات خزش بالای 1500 درجه فارنهایت (816 درجه)، استفاده کنیدERNiCrCoMo-1(اینکونل 617). هرگز از پرکننده های فولادی ضد زنگ استفاده نکنید.

کنترل حرارت ورودی:حداکثر دمای بینگذر: 200 درجه فارنهایت (93 درجه). ورودی حرارت محدود به ۲۵ تا ۴۵ کیلوژول در اینچ (۱۰ تا ۱۸ کیلوژول بر سانتی‌متر) است. گرمای بیش از حد ورودی ساختار دانه را درشت می کند که به 800HT مقاومت خزشی آن را می دهد.

عملیات حرارتی پس از-جوش (PWHT):معمولاً برای ضخامت دیوارهای معمول در لوله کشی مورد نیاز نیست. اگر حداکثر استحکام خزشی مورد نیاز باشد، بازپخت کامل محلول در 2150 درجه فارنهایت (1177 درجه) و به دنبال آن خنک‌سازی سریع، ریزساختار بهینه‌شده را بازیابی می‌کند. PWHT میدانی به ندرت عملی است.

هشدار بحرانی برای Incoloy 909:هرگز Incoloy 909 را بدون یک روش مستند و واجد شرایط که شامل پیری کنترل شده پس از جوش-است جوش نزنید. جوشکاری در شرایط قدیمی (سخت) تقریباً تضمینی برای ایجاد ترک‌های کرنشی-است. حساسیت آلیاژ به ترک خوردگی آنقدر شناخته شده است که بسیاری از مشخصات نیاز به اثبات موفقیت آمیز جوشکاری از طریق آزمایش مخرب (میکروسکوپ- مقطع متقاطع) بر روی کوپن های صلاحیت روش دارند.

هشدار بحرانی برای Incoloy 800HT:هرگز سعی نکنید-Incoloy 800HT را کهنه کنید. این آلیاژ به سخت شدن بارش به روش Incoloy 909 پاسخ نمی دهد و یک تیمار کهنه هیچ فایده ای ندارد در حالی که تنش حرارتی و اعوجاج غیر ضروری را اضافه می کند.

---

5. س: در کدام کاربردهای خاص لوله Incoloy 909 باید نسبت به Incoloy 800HT انتخاب شود و بالعکس؟

A:انتخاب بین لوله Incoloy 909 و Incoloy 800HT باینری است-آنها بازارهای کاملاً متفاوتی را بدون همپوشانی ارائه می دهند. انتخاب آلیاژ اشتباه منجر به شکست سریع و گران قیمت می شود.

لوله Incoloy 909 را زمانی انتخاب کنید که:

کاربرد شامل فاصله های حرارتی محکم و دمای تا 1100 درجه فارنهایت (593 درجه) است.مثالها عبارتند از:

پوشش کمپرسور توربین گاز خطوط هوا و سیستم های تخلیه

تکیه گاه یاتاقان و محفظه های آب بندی موتور -Aero

اجزای-توربوشارژر خودرو با عملکرد بالا (کمتر رایج)

بسته‌بندی الکترونیکی برای دستگاه‌های مایکروویو پرقدرت{{0} (موج و محفظه)

خطوط ابزار دقیق گاز طبیعی مایع (LNG) که در آن انقباض حرارتی در طول خنک شدن باید با سایر اجزا مطابقت داشته باشد

چرا Incoloy 800HT در این برنامه ها شکست می خورد:انبساط حرارتی بالای آن (15-17 × 10-6/ درجه) باعث از بین رفتن ترخیص یا شکاف های بیش از حد در طول چرخه حرارتی می شود. در یک توربین گاز، استفاده از 800HT برای یک خط هوای کمپرسور منجر به انبساط لوله بیشتر از پوشش اطراف می شود و به طور بالقوه باعث ایجاد مشکلات تماس، سایش و لرزش می شود.

لوله Incoloy 800HT را زمانی انتخاب کنید که:

کاربرد شامل دمای بالای پایدار بالای 1200 درجه فارنهایت (649 درجه) در محیط های اکسید کننده، کربوردار یا نیترید کننده است.مثالها عبارتند از:

لوله های کوره ترک اتیلن و مبدل های خط انتقال (1600-1900 درجه فارنهایت / 870-1040 درجه)

پیگتیل‌ها، منیفولدها و هدرهای خروجی بخار متان اصلاح‌کننده (1500-1700 درجه فارنهایت / 816-927 درجه)

لوله های اصلاح کننده اولیه کارخانه آمونیاک (1600-1800 درجه فارنهایت / 871-982 درجه)

سوپرهیتر و لوله‌های گرم‌کننده در نیروگاه‌های فوق بحرانی پیشرفته (1300–1450 درجه فارنهایت / 704–788 درجه)

اجزای کوره و لوله های تابشی عملیات حرارتی

چرا Incoloy 909 در این برنامه ها شکست می خورد:کمبود کروم باعث اکسیداسیون سریع بالای 800 درجه فارنهایت (427 درجه) می شود. در دمای 1600 درجه فارنهایت (871 درجه)، Incoloy 909 در عرض چند هفته کاملاً اکسید می شود. علاوه بر این، بارندگی{7}}فازهای سخت شدن آن بیش از حد و درشت می‌شود و تمام استحکام خود را از دست می‌دهد.

منطقه همپوشانی دما (1100–1200 درجه فارنهایت / 593–649 درجه):در این محدوده باریک، هر دو آلیاژ ممکن است از نظر فنی امکان پذیر باشند اما به دلایل مختلف. Incoloy 909 گسترش کم را ارائه می دهد. Incoloy 800HT مقاومت در برابر اکسیداسیون را ارائه می دهد. انتخاب به محدودیت طراحی اولیه بستگی دارد. اگر ثبات ابعادی بسیار مهم است، 909 را با وجود محدودیت های اکسیداسیون آن انتخاب کنید (به شرطی که محیط به شدت اکسید کننده نباشد). اگر مقاومت در برابر خوردگی غالب است، 800HT را انتخاب کنید و فاصله‌های طراحی را برای تطبیق با انبساط بالاتر آن انتخاب کنید.

ملاحظات اقتصادی:Incoloy 909 به دلیل محتوای کبالت و نیازهای پیچیده عملیات حرارتی به طور قابل توجهی گرانتر از Incoloy 800HT است. کبالت یک عنصر استراتژیک-پرهزینه است که در معرض نوسانات قیمت است. Incoloy 800HT، اگرچه هنوز نسبت به فولادهای زنگ نزن گران است، اما عموماً برای سرویس در دمای بالا مقرون به صرفه تر است. هرگز Incoloy 909 را برای برنامه‌ای که به طور خاص به انبساط حرارتی کم نیاز ندارد، تعیین نکنید-این کار هزینه را بدون سود اضافه می‌کند. برعکس، هرگز Incoloy 800HT را برای برنامه‌های کاربردی کم{12}}گسترش- مشخص نکنید، این باعث تداخل مکانیکی یا کاهش کارایی می‌شود.

ماتریس تصمیم گیری خلاصه: