Σε ποιο όριο θερμοκρασίας επιφάνειας μεταβαίνει το στρώμα οξειδίου σε σωλήνες θέρμανσης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 από προστατευτικό σε θρυμματισμό-Προκαλούμενη αραίωση τοίχων

Όρια Μηχανικής Σταθερότητας Δομής Διπλής Οξειδίου

Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης που είναι τυλιγμένοι σε ανοξείδωτο χάλυβα 316 και χρησιμοποιούνται στον αέρα, τα αέρια καύσης ή τον υπέρθερμο ατμό, το στρώμα οξειδίου που σχηματίζεται στην εξωτερική επιφάνεια είναι αρχικά προστατευτικό-που λειτουργεί ως φράγμα διάχυσης για να επιβραδύνει την περαιτέρω οξείδωση. Πάνω από μια οριακή θερμοκρασία επιφάνειας, ωστόσο, η δομή του οξειδίου αλλάζει από μια λεπτή, προσκολλημένη,-πλούσια κλίμακα σε χρώμιο σε μια παχιά, πολυστρωματική,-πλούσια κλίμακα σιδήρου που πέφτει συχνά. Κάθε φαινόμενο θρυμματισμού αφαιρεί όχι μόνο το οξείδιο αλλά και λίγο από το υποκείμενο βασικό μέταλλο, οδηγώντας σε προοδευτική λέπτυνση τοιχώματος και τελική διάτρηση. Αυτό το όριο θερμοκρασίας δεν είναι σταθερή τιμή αλλά εξαρτάται από τη χημεία του κράματος, τη συχνότητα του θερμικού κύκλου και τη μερική πίεση οξυγόνου. Αυτό το έγγραφο υπολογίζει τις θερμοκρασίες μετάπτωσης οξειδίων για 316 θήκες θερμαντικών από ανοξείδωτο χάλυβα, παρέχει ένα πλαίσιο για την πρόβλεψη των ρυθμών απώλειας τοιχώματος που προκαλείται από θραύση και ορίζει τις μέγιστες συνεχείς θερμοκρασίες επιφάνειας για μακροχρόνια υπηρεσία αέρα.

Τα δύο καθεστώτα οξείδωσης του ανοξείδωτου χάλυβα 316

Σε επιφανειακές θερμοκρασίες στον αέρα κάτω από περίπου 700-750 μοίρες, ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 αναπτύσσει ένα λεπτό (1-5 μm), συνεχές στρώμα οξειδίου του χρωμίου (Cr2O3) με μικρά επίπεδα σιδήρου-σπινελίου χρωμίου. Αυτή η κλίμακα αυξάνεται παραβολικά με το χρόνο, δηλαδή ο ρυθμός οξείδωσης μειώνεται καθώς η κλίμακα γίνεται παχύτερη επειδή η διάχυση του χρωμίου μέσω του υπάρχοντος οξειδίου γίνεται περιοριστική. Η κλίμακα είναι προσκολλημένη, με συντελεστή θερμικής διαστολής όχι μακριά από αυτόν του βασικού μετάλλου (~10−12 × 10-6 / βαθμός έναντι 17 × 10−6 / βαθμός για 316) και γενικά πέφτει μόνο σε ακραίο θερμικό σοκ. Σε θερμοκρασίες πάνω από περίπου 750-800 βαθμούς, το προστατευτικό οξείδιο του χρωμίου γίνεται θερμοδυναμικά λιγότερο σταθερό σε σχέση με τα οξείδια του σιδήρου. Η ζυγαριά σχηματίζει μια διπλή δομή με ένα εξωτερικό στρώμα αιματίτη (Fe 2 O 3 ) και μαγνητίτη (Fe 3 O 4 ) και ένα εσωτερικό στρώμα από σπινέλιο σιδήρου-χρωμίου (FeCr 2 O 4 ) με οξείδιο του χρωμίου. Η διάχυση οξυγόνου μέσω της πορώδους δομής του οξειδίου του σιδήρου είναι γρήγορη, επομένως τα εξωτερικά οξείδια του σιδήρου διαστέλλονται γραμμικά με το χρόνο. Το πιο σημαντικό, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του Fe2O3 είναι περίπου 15×10-6 / βαθμός και το Fe3O4 διαστέλλεται σε 12-14×10-6 / βαθμό. Η αναντιστοιχία με το υπόστρωμα 316 (17 × 10-6 / μοίρα ) εξακολουθεί να είναι μέτρια, αλλά οι τάσεις ενσωματωμένες από την επέκταση όγκου της μετατροπής μετάλλου σε οξείδιο (ο λόγος Pilling-Bedworth για το σίδηρο είναι 2,1, δηλαδή το οξείδιο καταλαμβάνει περισσότερο όγκο από το μέταλλο που καταναλώνεται στην πίεση που καταναλώνεται στην πίεση) κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου. Μόλις σπάσει το προστατευτικό οξείδιο του χρωμίου, η οξείδωση επιταχύνεται δραματικά - από μια σταθερά παραβολικού ρυθμού περίπου 10-12 g2/cm4·s σε 700 μοίρες σε 10-10 g2/cm4·s σε 850 μοίρες, μια αύξηση κατά δύο τάξεις μεγίστης.

Θερμοκρασία κατωφλίου αφαίρεσης και η εξάρτησή της από τον θερμικό κύκλο

The shift from adhering to spalling oxide is a function of peak temperature as well as the number and magnitude of thermal cycles which determine when the accumulated strain energy surpasses the oxide-metal adhesion work. For continuous isothermal operation, 316 sheaths can survive at 750°C surface temperature for 20,000-30,000 hours with just 100-200 µm of total metal loss (acceptable for a 1.5 mm wall thickness). However, the same 750°C sheath with daily thermal cycles (cooling to 200°C between thermal cycles) will start spalling after 500-1000 cycles and the total metal loss after 5000 cycles may be >500 μm, το ένα τρίτο του πάχους του τοιχώματος. Ακόμη και σε ισοθερμικές συνθήκες και σε επιφανειακή θερμοκρασία 850 μοιρών, παρατηρείται γρήγορη ανάπτυξη οξειδίων (10-20 μm ανά 1.000 ώρες) και συχνή αυθόρμητη απολέπιση επειδή οι τάσεις που οφείλονται μόνο στην ανάπτυξη υπερβαίνουν το όριο πρόσφυσης. Για την αεροπορική υπηρεσία, το πρακτικό όριο για-μακροπρόθεσμη αξιοπιστία του θερμαντήρα είναι 650 βαθμοί συνεχούς λειτουργίας, εάν η αραίωση τοιχώματος που προκαλείται από θραύση πρέπει να διατηρείται κάτω από 10 μm ετησίως. Όπου οι επιφανειακές θερμοκρασίες πάνω από 650 βαθμούς, ο θερμαντήρας θα πρέπει να θεωρείται αναλώσιμος με προκαθορισμένη περίοδο αντικατάστασης. Η συμπεριφορά οξείδωσης και θρυμματισμού στο κανονικό εύρος λειτουργίας των 316 θερμαντικών αέρα με επένδυση συνοψίζεται παρακάτω.

Θερμοκρασία επιφάνειας περιβλήματος ( βαθμός ) Κυρίαρχος τύπος οξειδίου Οξείδωση Κινητική Έναρξη απολέπισης (κύκλοι έως την πρώτη ρίψη) Ποσοστό απώλειας μετάλλων (μm ανά 10.000 ώρες) Μέγ. Συνιστώμενη διάρκεια ζωής (τοίχος 1,5 mm)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10.000 κύκλοι<5 >30 έτη 550-650 Cr2O3 + δευτερεύων FeCr2O4 Παραβολικός 5.000-10.000 κύκλοι5-20 15-30 έτη
650-700 Μικτό Cr2O3/Fe3O4 Transitional 2000-5000 κύκλοι 20-50 8-15 έτη 700-750 Duplex Fe3O4/Fe2O3 με εσωτερικό στρώμα πλούσιο σε CrΓραμμικό-παραβολικό 500-20} έτη {0}500-20} Παχύ Fe3O4/Fe2O3, γραμμική εξάντληση Cr 100-500 κύκλοι 150-400 1-3 έτη 800-850 Γρήγορο οξείδιο Fe, εσωτερική οξείδωση Γραμμική<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Ο ρόλος του μολυβδαινίου και του πυριτίου στη μεταβολή της θερμοκρασίας μετάβασης

The transition temperatures in the above table are specific to 316 stainless steel with 2.0-2.5 % molybdenum and 0.5-1.0 % silicon. Molybdenum, contrary to certain opinions, does not strengthen the resistance to dry oxidation considerably, but instead creates, beyond 700 °C, volatile oxides (MoO3) which can disturb the protective scale. But silicon is a good thing. At levels above 1.0 % silicon stimulates the creation of a thin, continuous silica layer (SiO2) underneath the chromium oxide which functions as an additional diffusion barrier. For heater sheaths used in continuous operation at temperatures >650 °C, the spalling threshold can be improved by 25-50 °C by using 316 with the silicon concentration at the upper end of the usual range (0.8-1.0 % instead of 0.4-0.6 %). As an alternative , grade 310 stainless steel ( 25 % Cr , 20 % Ni ) or Inconel 600 should be provided for continuous operation over 750 °C . These alloys create exceptionally stable chromium oxide scales up to 1000-1100 °C . The increased expense of the nickel-based alloys is justified for intermittent duty (frequent cycling) at temperatures >650 μοιρών λόγω της καλύτερης αντοχής τους στη θερμική κόπωση αφού το 316 θα σπάσει απαράδεκτα σε μερικούς μήνες.

Εκτίμηση της απολέπισης οξειδίου και της αραίωσης τοίχων στο πεδίο

Υπάρχουν τρία πεδία-παρατηρήσιμες ενδείξεις θερμοκρασίας επιφάνειας που υπερβαίνει το όριο θραύσης για 316 κλειστούς θερμαντήρες αέρα σε λειτουργία. 1. Υπάρχουν μαύρες ή σκούρες καφέ νιφάδες στο δάπεδο του περιβλήματος θέρμανσης ή στις παρακείμενες επιφάνειες. Αυτές οι νιφάδες είναι μαγνητίτης (Fe3O4) και μπορούν να έλκονται με έναν μαγνήτη-ένα απλό διαγνωστικό. Το δεύτερο είναι μια τραχιά, με κουκούτσια όψη της επιφάνειας του περιβλήματος, ειδικά εάν το αρχικό λείο φινίρισμα έχει αντικατασταθεί με μια ανάγλυφη ή λεπιδωτή επιφάνεια. Το τρίτο, και το πιο ποσοτικό σημάδι, είναι μια πτώση της ηλεκτρικής αντίστασης του θερμαντικού στοιχείου που μετράται σε θερμοκρασία δωματίου. Καθώς το τοίχωμα του περιβλήματος λεπταίνει λόγω θρυμματισμού, η διάμετρος του σύρματος εσωτερικής αντίστασης μπορεί επίσης να οξειδωθεί. Αλλά μια πτώση 5-10% στην αντίσταση στο κρύο από την αρχική προδιαγραφή υποδηλώνει σημαντική απώλεια μετάλλου. Το στρώμα οξειδίου αφαιρείται με ήπια αμμοβολή και το πάχος του τοιχώματος του περιβλήματος μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια με μετρητή πάχους υπερήχων. Ένα πάχος τοιχώματος κάτω από 0,8 mm σε μια ονομαστική θήκη 1,5 mm σημαίνει ότι η αντικατάσταση θα πρέπει να προγραμματιστεί τους επόμενους 6-12 μήνες. Για θερμαντήρες όπου η θερμοκρασία της επιφάνειας δεν είναι γνωστή, το θερμοστοιχείο που εφαρμόζεται στο περίβλημα κατά τη λειτουργία προσφέρει οριστικά δεδομένα. Σε περίπτωση που η θερμοκρασία που ανιχνεύεται είναι πάνω από 700 βαθμούς κατά τη διάρκεια περισσότερων από το 10% των ωρών λειτουργίας, η απολέπιση του οξειδίου θα είναι προοδευτική.

Στρατηγικές σχεδίασης μείωσης θερμοκρασίας θηκών για εξυπηρέτηση αέρα

Για εφαρμογές που απαιτούν θέρμανση αέρα άνω των 650 μοιρών, αλλά όπου οι περιορισμοί του έργου περιορίζουν τη χρήση 316 περιβλημάτων, είναι διαθέσιμες τρεις προσεγγίσεις σχεδιασμού για τη μείωση της πραγματικής θερμοκρασίας επιφάνειας για μια δεδομένη ισχύ εξόδου. Ο πρώτος και ευκολότερος τρόπος είναι να επεκτείνετε την επιφάνεια χρησιμοποιώντας περιβλήματα μεγαλύτερης ή μεγαλύτερης διαμέτρου ή προσθέτοντας πτερύγια. Για μια δεδομένη ισχύ, η αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας σε σχέση με το περιβάλλον σχετίζεται αντιστρόφως με την επιφάνεια. Εάν το θερμαινόμενο μήκος διπλασιαστεί, η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται στο μισό. Η δεύτερη τεχνική είναι να αυξηθεί η ταχύτητα του αέρα πάνω από τη θερμάστρα. Σε χαμηλές ταχύτητες αέρα (0,5-1,0 m/sec) ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι 10-20 W/m2/K, γεγονός που οδηγεί σε υψηλές θερμοκρασίες περιβλήματος. Σε εξαναγκασμένη μεταφορά (ταχύτητα 5-10 m/s), ο συντελεστής αυξάνεται στα 50-100 W/m2·K, μειώνοντας τη θερμοκρασία του περιβλήματος κατά 100-200 βαθμούς στην ίδια ισχύ. Η τρίτη τεχνική είναι να χρησιμοποιηθούν πολλοί θερμαντήρες χαμηλότερης ισχύος αντί για έναν μόνο θερμαντήρα υψηλής ισχύος, ο οποίος κατανέμει τη συνολική ισχύ σε μια μεγαλύτερη περιοχή και μειώνει τη μέγιστη θερμοκρασία του περιβλήματος. Για όλες τις εφαρμογές θέρμανσης αέρα, μια μέγιστη θερμοκρασία περιβλήματος 650 μοιρών (μετρημένη ή υπολογισμένη) είναι ένα ασφαλές ανώτερο όριο για μακροχρόνια υπηρεσία 316. Για εφαρμογή υψηλότερης θερμοκρασίας, το πρότυπο πρέπει να αναβαθμιστεί σε ανοξείδωτο χάλυβα 310 ή Inconel.

Συμπέρασμα: Μέγιστα όρια θερμοκρασίας επιφάνειας για θερμαντήρες αέρα τύπου 316

Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης τυλιγμένους σε ανοξείδωτο χάλυβα 316 που λειτουργούν στον αέρα ή τα αέρια καύσης, το στρώμα οξειδίου που σχηματίζεται στην επιφάνεια αλλάζει από προστατευτικό σε θραύση στους περίπου 700-750 βαθμούς συνεχούς, αλλά σε σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες υπό συνθήκες θερμικού κύκλου. Για μακροπρόθεσμη αξιοπιστία (5+ χρόνια) η μέγιστη συνεχής θερμοκρασία του περιβλήματος θα πρέπει να περιορίζεται στους 650 βαθμούς. Για διακοπτόμενη υπηρεσία με ημερήσιους κύκλους, το όριο μειώνεται στις 600 μοίρες για να ελαχιστοποιηθεί η σωρευτική ζημιά από θρυμματισμό. Εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν 316 εγκιβωτισμένες θερμάστρες σε οποιαδήποτε αέρια ατμόσφαιρα όπου η θερμοκρασία της επιφάνειας του στοιχείου μπορεί να ξεπεράσει τους 650 βαθμούς, η ισχύς πρέπει να μειωθεί για να μειωθεί η θερμοκρασία, η ροή αέρα να αυξηθεί για ψύξη με εξαναγκασμένη μεταφορά ή να χρησιμοποιηθεί κράμα υψηλότερης θερμοκρασίας. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται ένα πλαίσιο που συνδέει τη θερμοκρασία του περιβλήματος με τους ρυθμούς θραύσης οξειδίου και τις προβλέψεις λέπτυνσης τοίχων, επιτρέποντας στους αγοραστές να επιλέξουν μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας που εμποδίζουν τη μετάβαση από την προστατευτική κλίμακα στην καταστροφική απολέπιση και έτσι αποφεύγεται η προοδευτική απώλεια τοιχώματος που οδηγεί σε πρόωρη διάτρηση του περιβλήματος.