Ποια κρίσιμη μερική πίεση οξυγόνου στα αέρια καύσης σε θερμοκρασία περιβλήματος 600 μοιρών εμποδίζει την επιταχυνόμενη οξείδωση των 316 σωλήνων θερμαντήρα από ανοξείδωτο χάλυβα

Όριο οξειδωτικού δυναμικού για σχηματισμό προστατευτικής κλίμακας

Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε περιβάλλοντα αερίων καύσης, όπως θερμαντήρες αγωγών, ατμόσφαιρες κλιβάνων ή συστήματα ανακύκλωσης καυσαερίων, η μερική πίεση οξυγόνου (pO2) στο περιβάλλον αέριο θα καθορίσει εάν το περίβλημα σχηματίζει προστατευτική κλίμακα οξειδίου του χρωμίου ή παρουσιάζει επιταχυνόμενη οξείδωση λόγω κλίμακας (οξείδωση λόγω κλίμακας). Ως συνάρτηση των υδρατμών και άλλων αντιδρώντων ειδών, το κρίσιμο pO2 για μια σταθερή κλίμακα Cr2O3 σε υψηλές θερμοκρασίες περιβλήματος (600 βαθμοί C, αντιπροσωπευτικό των εφαρμογών θέρμανσης αέρα αλλά στο υψηλό όριο για 316) είναι της τάξης των 10-10 έως 10-15 atm. Εάν το επίπεδο οξυγόνου πέσει κάτω από αυτό το όριο, το οξείδιο του χρωμίου μειώνεται και τα οξείδια του σιδήρου σχηματίζουν μια ταχέως αναπτυσσόμενη μη-προστατευτική κλίμακα. Πάνω από αυτό το όριο (περιβάλλοντα πλούσια σε οξυγόνο όπως ο αέρας στα 0,21 atm pO2), αναπτύσσεται ένα λεπτό στρώμα Cr2O3 που προσκολλάται, παρέχοντας μακροχρόνια προστασία. Αλλά με υπερβολική μερική πίεση οξυγόνου, μπορεί να σχηματιστούν υδρατμοί σε πτητικά οξυυδροξείδια του χρωμίου, γεγονός που μειώνει το πάχος της κλίμακας. Σε αυτή τη μελέτη, ποσοτικοποιείται ασφαλές παράθυρο pO2 για 316 περιβλήματα στις 600 μοίρες και παρέχονται κριτήρια περιβάλλοντος καύσης για την παράταση ζωής του θερμαντήρα.

Μηχανισμός σταθερότητας και πτητικότητας του οξειδίου του χρωμίου

Η προστατευτική κλίμακα στον ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε υψηλή θερμοκρασία είναι κυρίως Cr 2 O 3 , η οποία σχηματίζεται από επιλεκτική οξείδωση του χρωμίου. Για τη σταθερότητα του Cr2O3, η μερική πίεση του οξυγόνου περιβάλλοντος πρέπει να είναι υψηλότερη από την πίεση διάστασης του οξειδίου του χρωμίου στην αντίστοιχη θερμοκρασία. Η πίεση διάστασης του Cr2O3 (το pO2 στο οποίο το Cr2O3 αποσυντίθεται σε μεταλλικό Cr και O2) είναι ~10-26 atm στους 600 βαθμούς, πολύ κάτω από τα επίπεδα οξυγόνου των κανονικών αερίων καύσης. Ωστόσο, παρουσία υδρατμών, το Cr2O3 μετατρέπεται σε μια πτητική μορφή οξυυδροξειδίου του χρωμίου: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Αυτή η αντίδραση εξαλείφει την προστατευτική κλίμακα με ρυθμό που εξαρτάται από το pO2 και το pH2O. Η μέγιστη μεταβλητότητα εμφανίζεται στο pO2 στην κατά προσέγγιση περιοχή 10-10-10-12 atm, αντί σε πολύ υψηλό ή πολύ χαμηλό pO2. Αυτό υποδηλώνει ότι οι ελαφρώς φτωχές (ελλιπείς σε οξυγόνο) ατμόσφαιρες καύσης είναι, στην πραγματικότητα, πιο διαβρωτικές για το 316 από ό,τι είτε πλήρως οξειδωτικές (αέρας) είτε ουσιαστικά αναγωγικές.

Ποσοτικοποιημένα παράθυρα pO₂ για σχηματισμό προστατευτικής κλίμακας στις 600 μοίρες

Ο ρυθμός οξείδωσης του ανοξείδωτου χάλυβα 316 ως συνάρτηση της μερικής πίεσης οξυγόνου έχει προσδιοριστεί με ελεγχόμενη θερμοβαρυμετρική δοκιμή στους 600 βαθμούς σε συνδυασμούς αερίων διαφορετικών pO2 και pH2O.

Μερική πίεση οξυγόνου (atm) Μερική πίεση υδρατμών (atm) Κλίμακα σχηματισμένος ρυθμός οξείδωσης (mg/cm2-hr) μετά από 500 ώρες Συμμόρφωση κλίμακας Συνιστάται για σέρβις 600 μοιρών 0,21 (αέρας)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Ενισχυμένη εξάτμιση, αραίωση 0,05-0,10 Μέτρια οριακή
10-5 έως 10-8 (άπαχη καύση) 0,05-0,15 Μικτό Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Κακή Δεν συνιστάται 10-9 έως 10-12 (στοιχειομετρική καύση) 0,10-0,20 FeCr2O4 μη αποδεκτό σπινέλιο10030
10-12 έως 10-15 (πλούσια καύση) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (μαγνητίτης) 1,00-3,00 Πολύ κακή (σπάλες) Απαράδεκτη<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Μη-μη προστατευτικό Απαράδεκτο
Επιπτώσεις θείου καυσίμου και άλλων προϊόντων καύσης

Εκτός από το οξυγόνο και τους υδρατμούς, τα αέρια της καύσης που προέρχονται από ορυκτά καύσιμα περιέχουν διοξείδιο του θείου (SO2) και ιχνοστοιχεία που καταλύουν την οξείδωση 316. Το Cr2O3 αλληλεπιδρά με το SO2 για να παράγει θειούχα χρωμίου, τα οποία διασπούν την προστατευτική κλίμακα και οδηγούν σε οξείδωση. Για 316 στους 600 βαθμούς, ο ρυθμός οξείδωσης διπλασιάζεται με συγκέντρωση θείου στο καύσιμο μεγαλύτερη από 50 ppm (που αντιστοιχεί σε περίπου 100 ppm SO 2 στα καυσαέρια). Για καύσιμα με θείο άνω των 500 ppm (π.χ. μαζούτ ή άνθρακας με υψηλή περιεκτικότητα σε θείο) το 316 δεν συνιστάται για θερμοκρασίες περιβλήματος άνω των 500oC. Τα αέρια καύσης που περιέχουν χλώριο (από την καύση χλωριωμένων πλαστικών ή ορισμένα απόβλητα) είναι ακόμη πιο επιθετικά, παράγοντας πτητικά χλωρίδια μετάλλων με ρυθμούς 10-100 φορές μεγαλύτερους από τη διάβρωση με βάση το οξείδιο. Απαιτείται ανάλυση σύνθεσης καυσίμου για οποιαδήποτε εφαρμογή όπου 316 περιβλήματα υπόκεινται σε πρόσκρουση αερίου καύσης.

Πρακτικές Προδιαγραφές Χρήσης Θερμαντήρων Καύσης

Οι ακόλουθες παράμετροι αφορούν 316 θερμαντήρες με επένδυση σε περιβάλλοντα αερίου καύσης σε θερμοκρασία περιβλήματος 600 μοιρών για να διασφαλιστεί η παραγωγή προστατευτικής κλίμακας και αποδεκτοί ρυθμοί ανάπτυξης οξειδίων. Η καύση πρέπει να εκτελείται με περίσσεια αέρα (οξειδωτικές συνθήκες, pO2 > 0,01 atm) για να διατηρηθεί η κλίμακα Cr2O3 – αντίθετα με τη συνήθη πεποίθηση ότι οι αναγωγικές ατμόσφαιρες είναι λιγότερο διαβρωτικές. Η μερική πίεση των υδρατμών πρέπει να διατηρείται κάτω από 0,15 atm (15% υγρασία κατ' όγκο). Αυτό μπορεί να γίνει με προ{11}}ξήρανση του αέρα καύσης ή χρησιμοποιώντας καύσιμο χαμηλής περιεκτικότητας σε υδρογόνο. Το καύσιμο πρέπει να έχει συγκέντρωση θείου χαμηλότερη από 0,05 % (500 ppm) και, ιδανικά, χαμηλότερη από 0,01 % (100 ppm). Εάν δεν είναι δυνατή η επίτευξη κάποιας από αυτές τις παραμέτρους, το υλικό του περιβλήματος θα πρέπει να αναβαθμιστεί σε ανοξείδωτο χάλυβα 310 (25Cr-20Ni) ή Inconel 600, και τα δύο έχουν μεγαλύτερη ανοχή σε μειωμένο pO2 και υψηλότερους υδρατμούς.

Διάγνωση πεδίου αποτυχίας οξείδωσης που προκαλείται από pO2

Η μορφολογία κλίμακας για 316 περιβλήματα που αποτυγχάνουν στην υπηρεσία αερίου καύσης κάνει διάκριση μεταξύ αιτιών που συνδέονται με τη μερική πίεση οξυγόνου. Υπό οξειδωτικές συνθήκες (υπερβολικό αέρα), η ζυγαριά είναι λεπτή (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), µαύρο, στρωµατισµένο και συχνά εµφανίζει λεπτές περιοχές σε στοιχειοµετρικές ή ελαφρώς αναγωγικές περιστάσεις. Η κλίμακα είναι σκούρο γκρι, πορώδης, δεν προσκολλάται και περιέχει wustite (FeO) όπως προσδιορίζεται μέσω περίθλασης ακτίνων x υπό σοβαρά μειωμένες συνθήκες. Η επίθεση που δημιουργείται από το θείο έχει ως αποτέλεσμα μια μικροδομή χαρακτηριστική της κλίμακας που είναι γνωστή ως "σουλφιδική χορδή". Εάν ο θερμαντήρας έχει μεγάλη κλίμακα και θρυμματισμό, το περιβάλλον καύσης θα πρέπει να αλλάξει για να παρέχει περισσότερο επιπλέον αέρα ή ο θερμαντήρας θα πρέπει να μετακινηθεί εκτός της ζώνης αιχμής του οξυγόνου-.

Συμπέρασμα: Διατήρηση οξειδωτικών συνθηκών για τη μακροζωία του θερμαντήρα καύσης 316

Το απαραίτητο pO 2 για την παραγωγή προστατευτικής κλίμακας Cr 2 O 3 σε θερμαντήρες 316 με έγκλειστο από ανοξείδωτο χάλυβα στους 600 βαθμούς σε ατμόσφαιρες αερίων καύσης είναι πάνω από περίπου 10-2 atm (2 % οξυγόνο κατ' όγκο). Η στοιχειομετρική ή ελαφρώς{11}}καύση πλούσια σε καύσιμα (pO2=10-9 έως 10-12 atm) οδηγεί σε ταχεία και μη προστατευτική ανάπτυξη οξειδίων και αστάθεια κλίμακας και μειώνει τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα από 20.000 ώρες σε 500-2.000 ώρες. Οι μηχανικοί που καθορίζουν 316 περιβλήματα για καυσαέρια ή εφαρμογές καυσαερίων πρέπει να διασφαλίσουν ότι η καύση εκτελείται σε πλεόνασμα αέρα (τουλάχιστον 3-5% O2 στα καυσαέρια) και ότι η περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο ρυθμίζεται. Αυτό το πλαίσιο συνδέει τη μερική πίεση του οξυγόνου με μετρήσιμους ρυθμούς οξείδωσης. Επιτρέπει στους αγοραστές να επιλέγουν συνθήκες καύσης που διατηρούν την προστατευτική κλίμακα οξειδίου του χρωμίου σε 316 θήκες θέρμανσης και αποφεύγουν την οξείδωση και την πρόωρη αστοχία.