الزامات مهم جوشکاری و عملیات حرارتی برای لوله های Incoloy 945 در مقابل Incoloy 803 چیست؟

1. س: تفاوت های اساسی ترکیب و ویژگی بین لوله های Incoloy 945 و Incoloy 803 چیست؟

A:Incoloy 945 و Incoloy 803 بخش‌های صنعتی کاملاً متفاوتی را ارائه می‌کنند و تفاوت‌های آنها با فلسفه‌های طراحی آلیاژ و اهداف کاربردی اساساً متفاوت آغاز می‌شود.

Incoloy 945 (UNS N09945)یک آلیاژ کروم-سخت کننده نیکل-آهن-بارشی است که به طور خاص برای خدمات شدید نفت ترش و گاز ساخته شده است. ترکیب اسمی آن 48-52٪ نیکل، 19-23٪ کروم، 2.5-3.5٪ مولیبدن، 1.5-2.5٪ مس، 1.0-2.0٪ تیتانیوم، 0.3-0.6٪ آلومینیوم، 0.3-0.6٪ نیوبیم و تعادل است. این یک ماده بسیار آلیاژی است با افزودن قابل توجهی از عناصر چندگانه تقویت کننده و مقاوم در برابر خوردگی{19}. محتوای نیکل بالا (تقریبا 50٪) مقاومت استثنایی در برابر خوردگی تنش کلرید ایجاد می کند. مولیبدن و مس باعث افزایش مقاومت در برابر حفره شدن و اسیدهای کاهنده می شوند. تیتانیوم، آلومینیوم و نیوبیم با هم ترکیب می‌شوند تا چندین فاز رسوبی-عمدتاً گاما-پرایم (Ni3(Al,Ti)) و گاما{26}}دوبل{27}}پرایم (Ni₃Nb){28}} را تشکیل دهند که باعث سخت شدن می‌شوند. Incoloy 945 بسته به شرایط عملیات حرارتی، به استحکام تسلیم بین 80 تا 130 ksi (552-896 MPa) دست می یابد.

Incoloy 803 (UNS S30815)یک فولاد ضد زنگ آستنیتی است که برای مقاومت در برابر اکسیداسیون و کربوریزاسیون در دمای بالا طراحی شده است. ترکیب اسمی آن 18-20٪ کروم، 8-10٪ نیکل، 0.08-0.12٪ کربن، 0.3-0.6٪ سیلیکون، 0.04-0.10٪ نیتروژن، 0.03-0.08٪ سریم و آهن متعادل است. به عدم وجود مولیبدن، مس، تیتانیوم، آلومینیوم و نیوبیم توجه کنید. این آلیاژ رسوب-سخت نمی‌شود. استحکام خود را از محلول جامد و پراکندگی های ریز نیترید/کاربید به دست می آورد. ویژگی متمایز کلیدی افزودن سریم-یک عنصر خاکی کمیاب- است که به طور قابل توجهی مقاومت اکسیداسیون را در دماهای بالا بهبود می‌بخشد. این آلیاژ همچنین حاوی سیلیکون و نیتروژن کنترل شده برای افزایش قدرت خزش است. Incoloy 803 به استحکام تسلیم معمولی 35-45 ksi (241-310 MPa) در دمای اتاق دست می یابد.

مفاهیم متالورژی:Incoloy 945 برایاستحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی در محیط های مرطوب و ترشدر دمای تقریباً 600 درجه فارنهایت (316 درجه). برای سرویس‌های با دمای بالا-بالای 1000 درجه فارنهایت (538 درجه) در نظر گرفته نشده است، جایی که رسوبات آن بیش از حد و درشت می‌شوند. Incoloy 803 برایسرویس دمای بالا-(تا 1850 درجه فارنهایت / 1010 درجه) در اتمسفرهای خشک یا کمی اکسید کننده/کربوردار. مقاومت خاصی در برابر خوردگی آبی ندارد و به راحتی در آب دریا یا شورهای اسیدی زنگ می زند و سوراخ می شود.

انتخاب بین آنها:اگر برنامه شاملنفت و گاز ترش،-فشار بالا،-نیازهای مقاومت بالا(لوله پایین چاله، منیفولدهای زیر دریا)، Incoloy 945 را انتخاب کنید. اگر برنامه شاملاجزای-کوره با دمای بالا، لوله های تابشی، یا سبدهای عملیات حرارتیدر اتمسفرهای اکسید کننده یا کربوردار، Incoloy 803 را انتخاب کنید. عملاً هیچ کاربردی وجود ندارد که هر دو آلیاژ جایگزین مناسبی باشند.

---

2. س: چه استانداردها و مشخصات صنعتی بر لوله های بدون درز Incoloy 945 و Incoloy 803 حاکم است؟

A:این دو آلیاژ تحت چارچوب‌های مشخصات کاملاً متفاوت قرار می‌گیرند که منعکس‌کننده بازارهای متمایز آنها-نفت و گاز برای 945، و-گرمایش صنعتی با دمای بالا برای 803 هستند.

برای لوله بدون درز Incoloy 945:

ASTM B983– مشخصات استاندارد برای بارندگی-سختی نیکل-آهن-لوله بدون درز آلیاژ کروم (پوشش UNS N09945 و گریدهای مشابه). این مشخصات اولیه لوله است.

API 6ACRA– مشخصات موسسه نفت آمریکا برای آلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}سخت شده{1} که در سرویس ترش استفاده می شود. این مشخصات شامل سختی، کشش، و الزامات ضربه خاص است.

NACE MR0175 / ISO 15156– این مهم ترین استاندارد برای Incoloy 945 است. این آلیاژ را برای استفاده در محیط های ترش (H2S-حاوی) نفت و گاز تأیید می کند. این استاندارد حداکثر سختی (معمولاً 35 HRC یا کمتر) و شرایط عملیات حرارتی قابل قبول را برای جلوگیری از ترک خوردگی تنش سولفید مشخص می کند.

ISO 13680– صنایع نفت و گاز طبیعی-مشخصات تجهیزات حفره‌ای که شامل Incoloy 945 می‌شود.

الزامات اضافی:برای Incoloy 945، خریداران باید شرایط عملیات حرارتی مورد نظر را مشخص کنند:

محلول آنیل شده (نرم)- برای سرد کاری یا شکل دهی بعدی

محلول آنیل شده + پیر شده- برای سرویس مستقیم با قدرت کامل

دوساله شده- برای ترکیب بهینه استحکام و چقرمگی

برای لوله بدون درز Incoloy 803:

ASTM A312 / ASME SA312- مشخصات استاندارد برای لوله فولادی ضد زنگ آستنیتی بدون درز. Incoloy 803 معمولاً تحت این مشخصات با الزامات تکمیلی گواهی می شود.

ASTM A240- برای صفحه، اما برای الزامات شیمی و خواص ارجاع شده است.

EN 10088– استاندارد اروپا برای فولادهای زنگ نزن (آلیاژ 803 با نام 1.4893 نیز شناخته می شود).

ASME Code Case 2487– امکان استفاده از Incoloy 803 (S30815) را در ساخت دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME برای سرویس دهی تا دمای 1850 درجه فارنهایت (1010 درجه) فراهم می کند.

تفاوت کلیدی تدارکات:لوله بدون درز Incoloy 945 یک محصول تخصصی با منابع آسیاب محدود، زمان تولید طولانی (معمولاً 12 تا 20 هفته) و هزینه بالا است. لوله بدون درز Incoloy 803 بیشتر به عنوان یک نوع فولاد ضد زنگ استاندارد در دسترس است، اگرچه کمتر از 304H یا 310H رایج است. همیشه بررسی کنید که گزارش آزمایش مواد، محتوای سریم (0.03-0.08٪) را برای Incoloy 803 مستند کند - این آن را از فولادهای ضد زنگ استاندارد 309S یا 310S متمایز می کند.

---

3. س: چرا لوله بدون درز Incoloy 945 ماده ترجیحی برای کاربردهای نفت و گاز ترش با استحکام بالا-است؟

A:لوله بدون درز Incoloy 945 به یک ماده محک برای محیط‌های خدماتی شدید در چاه‌های نفت و گاز عمیق، فشار- و دمای بالا تبدیل شده است. چهار ویژگی خاص برتری آن را بر دیگر آلیاژهای سخت‌کننده بارندگی توضیح می‌دهد.

اول، مقاومت استثنایی در برابر ترک استرس سولفیدی (SSC) در سطوح مقاومت بالا.NACE MR0175/ISO 15156 محدودیت های سختی سختی (معمولاً کمتر یا مساوی 35 HRC) را برای مواد در سرویس ترش اعمال می کند. بسیاری از آلیاژهای با استحکام بالا (مثلاً Inconel 718) می توانند به استحکام بالاتری دست یابند اما از حد سختی فراتر می روند و استفاده از آنها را در شدیدترین محیط های H2S محدود می کنند. Incoloy 945 به استحکام تسلیم 100-130 ksi (689-896 MPa) دست می یابد در حالی که سختی زیر 35 HRC را حفظ می کند. این ترکیب منحصربه‌فرد از طریق کنترل دقیق واکنش پیری حاصل می‌شود{16}}آلیاژ رسوبات ریز و منسجمی ایجاد می‌کند که بدون سختی بیش از حد استحکام می‌دهد. تجربه میدانی در چاه هایی با فشار جزئی H2S بیش از 100 psi (0.7 مگاپاسکال) مقاومت Incoloy 945 در برابر SSC را تایید می کند.

دوم، مقاومت بالا در برابر خوردگی تنش کلرید (SCC) از محتوای بالای نیکل.با تقریباً 50٪ نیکل، Incoloy 945 به طور قابل توجهی نیکل بالاتری نسبت به سایر آلیاژهای سخت‌کننده بارش مانند Inconel 718 (52٪ نیکل) دارد، اما مهمتر از آن، ماتریس نیکل مقاومت ذاتی در برابر کلرید SCC ایجاد می‌کند. در چاه‌های عمیق با کلریدهای آب تشکیل‌دهنده بیش از 150000 ppm و دمای ته‌چاله 350-450 درجه فارنهایت (177-232 درجه)، مواد نیکل پایین‌تر توسط SCC ظرف چند ماه از بین می‌روند. لوله Incoloy 945 در این شرایط عمر کاری بیش از 10 سال را نشان داده است.

سوم، مقاومت در برابر خوردگی حفره و شکاف برجسته.ترکیب 2.5-3.5٪ مولیبدن و 1.5-2.5٪ مس به Incoloy 945 یک عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) تقریباً 32-36 می دهد. این به طور قابل توجهی بالاتر از Incoloy 825 (PREN ~30-33) و قابل مقایسه با فولادهای ضد زنگ فوق دوبلکس است. در محیط‌های حاوی گوگرد عنصری (که در چاه‌های گاز ترش رایج است)، مس محافظت بیشتری در برابر خوردگی ناشی از گوگرد{14}} ارائه می‌کند.

چهارم، پایداری حرارتی در طول خدمات طولانی مدت-.برخلاف برخی از آلیاژهای سخت‌کننده بارندگی که در دماهای بالاتر از 400 درجه فارنهایت (204 درجه) بیش از حد افزایش می‌یابند و به سرعت نرم می‌شوند، Incoloy 945 پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در دمای 450-500 درجه فارنهایت (232-260 درجه) استحکام خود را حفظ می‌کند. افزودن نیوبیم ساختار رسوب را تثبیت می کند و از درشت شدن آن جلوگیری می کند. این پایداری حرارتی برای چاه‌های عمیق که دمای تولید برای دهه‌ها بالا باقی می‌ماند، حیاتی است.

کاربردهای معمولی:لوله‌های تولید حفره‌ای، بسته‌کننده‌ها، شیرهای ایمنی زیرسطحی، ظروف حفره‌ای صیقلی، و سیستم‌های آویز در چاه‌های گاز ترش HP/HT (فشار بالا/دمای بالا). در این برنامه ها، Incoloy 945 با Inconel 718 و Incoloy 925 رقابت می کند. اغلب زمانی انتخاب می شود که ترکیبی از استحکام تسلیم 120 ksi، انطباق NACE MR0175 و مقاومت حفره ای مورد نیاز باشد.

---

4. س: چرا لوله فولادی ضد زنگ Incoloy 803 برای کاربردهای کوره با دمای بالا و عملیات حرارتی ترجیح داده می شود؟

A:لوله فولادی ضد زنگ Incoloy 803 (UNS S30815) در کاربردهای گرمایش صنعتی در دمای بالا که در آن فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد مانند 309S و 310S پیش از موعد دچار شکست می شوند، مقبولیت گسترده ای به دست آورده است. سه ویژگی خاص برتری آن را توضیح می دهد.

اول، مقاومت استثنایی اکسیداسیون ناشی از افزودن سریم.تمام فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای محافظت در برابر اکسیداسیون به مقیاس اکسید کروم (Cr2O3) متکی هستند. با این حال، در دماهای بالاتر از 1800 درجه فارنهایت (982 درجه)، اکسید کروم به طور فزاینده ای فرار می شود و در طول چرخه حرارتی می ریزد. Incoloy 803 حاوی 0.03-0.08٪ سریم-یک عنصر خاکی کمیاب- است که مقیاس اکسید را به دو روش مهم تغییر می‌دهد. ابتدا، سریم چسبندگی رسوب را بهبود می بخشد و از پوسته پوسته شدن در طول چرخه حرارتی جلوگیری می کند. ثانیاً، سریم تشکیل یک ساختار اکسیدی ریزتر{11}} و محافظت کننده‌تر را افزایش می‌دهد. تجربه میدانی در کوره‌های بازپخت پیوسته، کوره‌های سیمان، و دیگ‌های حرارت هدر رفته نشان می‌دهد که لوله‌های Incoloy 803 در شرایط یکسان 2 تا 3 برابر بیشتر از نوع 310H (UNS S31009) دوام می‌آورند. اثر سریم به قدری برجسته است که Incoloy 803 اغلب برای دماهای سرویس تا 1850 درجه فارنهایت (1010 درجه ){22}}بیشتر از حد معمول برای 310 ساعت (1850 درجه فارنهایت در مقابل{25}} درجه فارنهایت برای کوتاه مدت-، اما با پایداری طولانی مدت{2) بهتر مشخص می شود.

دوم، افزایش مقاومت کربوریزه شدن از سیلیکون و نیتروژن.در اتمسفرهای حاوی هیدروکربن (به عنوان مثال، کوره های پتروشیمی، عملیات حرارتی با گاز گرماگیر)، انتشار کربن (کربورسازی) فولادهای ضد زنگ استاندارد را شکننده می کند. Incoloy 803 حاوی 0.3-0.6٪ سیلیکون است که باعث تشکیل یک لایه زیرین سیلیس (SiO2) در زیر مقیاس اکسید کروم می شود. این لایه سیلیسی به عنوان یک مانع انتشار در برابر کربن عمل می کند. محتوای نیتروژن کنترل شده (0.04-0.10٪) همچنین با تشکیل نیتریدهای ریز که مرزهای دانه را سنجاق می کند، کمک می کند و مسیرهای انتشار کربن را کاهش می دهد. در پیگتیل‌های اصلاح‌کننده متان بخار و خطوط انتقال، Incoloy 803 مقاومت کربوریزه شدن را به طور قابل‌توجهی بهتر از 310H نشان داده است.

سوم، استحکام خزشی{0}}در دمای بالا ناشی از پراکندگی رسوب ریز.Incoloy 803 در حالی که یک آلیاژ سخت‌کننده بارندگی نیست، اما از طریق پراکندگی خوب کاربیدها و نیتریدهای کروم، به استحکام خزشی مفیدی در دمای 1500–1700 درجه فارنهایت (816–927 درجه) دست می‌یابد. ترکیب 0.08-0.12٪ کربن و 0.04-0.10٪ نیتروژن یک شبکه رسوبی متراکم و پایدار تولید می کند. قدرت گسیختگی 100000-ساعتی Incoloy 803 در 1650 درجه فارنهایت (899 درجه) تقریباً 1.5-2.0 ksi (10-14 مگاپاسکال) است که با 310H در دماهای معادل قابل مقایسه یا بهتر از آن است.

حالت های شکست مقایسه ای:در یک لوله تابشی کوره عملیات حرارتی که در 1750 درجه فارنهایت (954 درجه) با چرخه حرارتی روزانه کار می کند:

در لوله‌های نوع 309S پس از 6 ماه پوسته شدن اکسید ایجاد می‌شود که منجر به ایجاد نقاط داغ و سوختگی-می‌شود.

لوله های نوع 310H 12 تا 18 ماه قبل از پوسته شدن و کربوریزه شدن باعث خرابی می شوند

لوله های Incoloy 803 معمولاً 36 تا 48 ماه خدمات ارائه می دهند که باعث کاهش زمان خرابی و هزینه های تعویض می شود.

کاربردهای معمولی:لوله های تابشی در کوره های بازپخت و کربورسازی، بازیابی کننده ها، نازل های مشعل، اجزای کوره، سیکلون های پیش گرمکن کارخانه سیمان و تکیه گاه های لوله دیگ بخار حرارتی زباله. Incoloy 803 همچنین برای شبکه‌ها و سبدها در عملیات حرارتی که چرخه حرارتی مکرر است استفاده می‌شود.

---

5. س: جوشکاری و عملیات حرارتی مورد نیاز برای لوله های Incoloy 945 در مقابل Incoloy 803 چیست؟

A:جوشکاری Incoloy 945 و Incoloy 803 اساساً به رویکردهای متفاوتی نیاز دارد زیرا Incoloy 945 رسوبی-سخت می‌شود و به پیری{4} پس از جوش نیاز دارد، در حالی که Incoloy 803 محلول جامد-با قابلیت جوش‌پذیری عالی تثبیت شده است.

برای لوله Incoloy 945 (رسوب-سخت شدن):

انتخاب فلز پرکننده:استفاده کنیدERNiCrMo-3(Inconel 625) یاERNiCrMo-10(Inconel 622) به عنوان پرکننده استاندارد. این پرکننده‌های حاوی مولیبدن{2}}مقاومت در برابر خوردگی یا فراتر از فلز پایه را ایجاد می‌کنند. برای کاربردهای بالاترین قدرت،ERNiCrFe-2(پرکننده Inconel 718) ممکن است مورد استفاده قرار گیرد، اما این نیاز به تطبیق دقیق عملیات حرارتی پس از جوش- دارد. هرگز از ERNiCr-3 (که فاقد مولیبدن است) یا پرکننده های فولادی ضد زنگ استفاده نکنید.

کنترل حرارت ورودی:حداکثر دمای بینگذر: 200 درجه فارنهایت (93 درجه). ورودی گرما به 20 تا 35 کیلوژول در اینچ (8 تا 14 کیلوژول بر سانتی متر) محدود می شود. گرمای ورودی بالاتر باعث جداسازی نیوبیم و تیتانیوم می شود و خطر ترک خوردگی را افزایش می دهد.

شرایط قبل از جوشکاری:همیشه در محلول-وضعیت آنیل شده (نرم)-هرگز در شرایط قدیمی جوش داده شود. جوشکاری مواد قدیمی باعث ایجاد کرنش-ترک ناشی از سن در ناحیه تحت تأثیر گرما{4}}می شود.

عملیات حرارتی پس از{0}}جوش برای سرویس با قدرت کامل اجباری است:

محلول آنیل(در صورت نیاز پس از جوشکاری): 1900-1950 درجه فارنهایت (1038-1066 درجه) به مدت 1 ساعت ضخامت در هر اینچ، و به دنبال آن خنک شدن سریع (کوئنچ آب)

درمان پیری:تا 1325 درجه فارنهایت (718 درجه) گرم کنید، 8 ساعت نگه دارید، در کوره خنک کنید تا 1150 درجه فارنهایت (621 درجه) در حداکثر 200 درجه فارنهایت (93 درجه) در ساعت، 8 ساعت نگه دارید، سپس هوا خنک شود.

بدون -پیری پس از جوش، اتصال جوش تنها دارای قدرت تسلیم 40-50 ksi (276-345 مگاپاسکال) است-کاملاً برای خدمات میدان نفتی که نیاز به 100+ ksi دارد، کافی نیست.

برای لوله Incoloy 803 (محلول- جامد):

انتخاب فلز پرکننده:استفاده کنیدER309LیاER310پرکننده های فولادی ضد زنگ برای تطبیق مقاومت در برابر اکسیداسیون،ER309HیاER310Hترجیح داده می شوند. پرکننده باید محتوای کروم مشابهی داشته باشد (20 تا 25%) و در حالت ایده آل، افزودن سریم-گرچه پرکننده‌های حاوی سریم{4}}معمولاً در دسترس نیستند، بنابراین پرکننده‌های استاندارد 309/310 قابل قبول هستند.

کنترل حرارت ورودی:حداکثر دمای بینگذر: 300 درجه فارنهایت (149 درجه). ورودی حرارت محدود به ۲۵ تا ۴۵ کیلوژول در اینچ (۱۰ تا ۱۸ کیلوژول بر سانتی‌متر) است. گرمای بیش از حد می تواند باعث رسوب کاربید کروم در مرزهای دانه شود (حساسیت) و مقاومت در برابر اکسیداسیون را کاهش دهد.

تمیز کردن قبل از جوش:با استون یا برس اختصاصی فولاد ضد زنگ تمیز کنید. تمام آلودگی‌های فولاد کربنی را که می‌تواند باعث تخریب سطح در طول سرویس‌دهی در دمای بالا شود، حذف کنید.

عملیات حرارتی پس از{0}}جوش (معمولاً لازم نیست):برای اکثر برنامه ها، Incoloy 803 در حالت جوش داده شده استفاده می شود. اگر حداکثر مقاومت در برابر اکسیداسیون مورد نیاز باشد (به عنوان مثال، لوله های تابشی در سرویس چرخه ای)، یک محلول آنیل در دمای 1900-2000 درجه فارنهایت (1038-1093 درجه) و به دنبال آن خنک سازی سریع، ریزساختار بهینه را بازیابی می کند. این به ندرت روی لوله های جوش داده شده به دلیل خطرات اعوجاج انجام می شود.

هشدارهای حیاتی:

برای Incoloy 945:هرگز بدون رویه واجد شرایط جوش نزنید. هرگز در شرایط قدیمی جوش نزنید. هرگز از -پیری جوش برای اجزای حاوی فشار{3}} نادیده نگیرید. حساسیت آلیاژ به ترک خوردگی کرنشی-نیازمند کنترل دقیق سرعت رمپ عملیات حرارتی است.

برای Incoloy 803:از -پرکننده های سیلیکونی کم-سیلیکون در فلز پایه استفاده نکنید (0.3-0.6%) مقاومت اکسیداسیون را بهبود می بخشد، و پرکننده های منطبق باید بر این اساس انتخاب شوند. در حین جوشکاری بیش از حد گرم نشوید- حرارت ورودی بیش از حد باعث کاهش مقاومت در برابر کربوریزاسیون می شود. از ابزار مسواک زدن یا جابجایی فولاد کربنی استفاده نکنید-ذرات فولاد کربنی جاسازی شده نقاط ضعفی را برای اکسیداسیون در دمای بالا- ایجاد می‌کنند.

شرایط صلاحیت:

برای Incoloy 945 در سرویس ترش، روش های جوشکاری باید با تست سختی مطابق NACE MR0175 واجد شرایط باشد. سختی در ناحیه تحت تأثیر حرارت-و فلز جوش نباید از 35 HRC تجاوز کند. این اغلب به یک چرخه-زود بازپخت و پیری{6} پس از محلول جوش نیاز دارد. علاوه بر این، آزمایش ترک خوردگی تنش سولفید در NACE TM0177 (روش A یا D) ممکن است برای کاربردهای حیاتی مورد نیاز باشد.

برای Incoloy 803 در سرویس چرخه‌ای{1}}در دمای بالا، صلاحیت باید شامل آزمایش چرخه حرارتی برای تأیید چسبندگی مقیاس اکسید باشد. در حالی که در استانداردها تدوین نشده است، بسیاری از اپراتورهای کوره نیاز به اثبات این دارند که اتصال جوش داده شده به محل اکسیداسیون ترجیحی تبدیل نمی شود.