La ce combinație specifică de frecvență ciclului termic și temperatură de vârf a învelișului o manta din oțel inoxidabil 316 de 2,5 milimetri experimentează exfolierea cu oxid care reduce grosimea peretelui sub 2,0 milimetri într-un an în serviciul de supraîncălzire ciclică cu abur?

Combinația dintre abur la temperatură înaltă și funcționarea ciclică produce un mediu unic de oxidare între supraîncălzitorul electric cu abur al inginerului de centrală și mantaua din oțel inoxidabil 316 a specialistului în cazane industriale. Spre deosebire de încălzirea cu aer, unde solzii de oxid se formează la viteze relativ lente, aburul accelerează oxidarea deoarece vaporii de apă difuzează prin stratul de oxid și reacţionează cu metalul de dedesubt. Despicarea solzilor de oxid la ciclul termic este deosebit de problematică pentru tecile cu pereți grosi-. Acumularea-de oxid devine suficient de groasă pentru a se sparge, luând cu sine metalul de bază cu fiecare eveniment de exfoliere. Pentru serviciul de supraîncălzire, grosimea peretelui este uneori specificată ca 2,5 mm pentru a permite rezistența la fluaj și toleranța la coroziune. Cu toate acestea, pentru unele combinații de temperatură de vârf și frecvență de ciclu, exfolierea cu oxid poate eroda 0,5 mm grosimea peretelui într-un an și, prin urmare, poate compromite integritatea mecanică. Această lucrare stabilește limite specifice pentru ratele inacceptabile de exfoliere pentru o teacă 316 de 2,5 mm în utilizarea aburului ciclic.

Mecanisme de oxidare și delaminare cu abur în oțel inoxidabil 316
În abur supraîncălzit la temperaturi care depășesc 550°C, oțelul inoxidabil 316 dezvoltă o scară de oxid duplex cu un strat exterior de magnetită (Fe3O4) și un strat interior de spinel bogat în crom-. Viteza de oxidare urmeaza o lege parabolica; totuși, adăugarea de abur crește viteza cu un raport de 2-5 în comparație cu aerul la aceeași temperatură. O teacă 316 crește ~10 microni de oxid în abur după 1000 de ore la 600°C. La 650 de grade grosimea este de 25 de microni. 700°C, 60 de microni. Oxidul este mai mare de 120 microni la 750°C după 1000 de ore. Spalarea oxidului în timpul răcirii se datorează creșterii stratului de oxid dincolo de o grosime critică și nepotrivirii expansiunii termice a oxidului și a metalului. Grosimea esentiala pentru exfolierea oxizilor formati in abur este in jur de 30-50 microni. De fiecare dată când stratul de oxid este îndepărtat, se îndepărtează și un strat mic de metal de bază (2-5 microni în majoritatea cazurilor). După 1000 de ore de expunere cumulativă a învelișului de 0,25 mm la 700°C cu 100 de cicluri termice în fiecare an, oxidul ar crește până la 60 de microni și ar avea loc exfolierea. Dacă exfolierea are loc la fiecare 1.000 de ore și de fiecare dată scoate 4 microni de metal, pierderea anuală de perete va fi de aproximativ 0,035 mm-neglijabilă. Cu toate acestea, exfolierea poate apărea mai frecvent la temperaturi mai ridicate și/sau cicluri mai dese, ceea ce accelerează degradarea peretelui.

Praguri critice pentru exfolierea accelerată a tecii în 2,5 mm
Testele de oxidare cu abur controlată ciclic ale probelor de 2,5 mm 316 de înveliș au arătat limitele exacte dincolo de care pierderea peretelui ar fi mai mare de 0,5 mm pe an - punctul în care o manta de 2,5 mm ar fi redusă la 2,0 mm în 12 luni.

Temperatura maximă a învelișului Ore până la prima exfoliere, grosimea cumulativă a oxidului la exfoliere Pierderea metalului pe eveniment de exfoliere Numărul de cicluri pe an pentru pierderea anuală care depășește 0,5 mm Mecanism de eroare dominantă 550°C 8.000 – 10.000 ore 25 – 20 – 30 microni, nu este posibil sub 25 – 20 – 30 microni cicluri/an Exfoliere nesemnificativă 600 grade 2.000 – 3.000 ore 35 – 45 microni 3 – 5 microni Peste 500 cicluri/an Risc marginal 650 grade 500 – 800 ore 50 – 70 microni 4 – 6 microni Risc mai mare de 1 microni 700 grade/an 150 – 250 ore 80 – 120 microni 5 – 8 microni Peste 50 cicluri/an Risc ridicat 750 grade 50 – 100 ore 150 – 200 microni 8 – 12 microni Peste 20 cicluri/an Exfoliere severa 2025 – 300 microni ore 802 – 300 microni 12 – 20 microni Peste 10 cicluri/an Pierdere rapidă a peretelui
Pentru un supraîncălzitor la 700°C temperatura maximă a învelișului și 100 de cicluri pe an (aproximativ 2 cicluri pe săptămână), pierderea anuală a peretelui va fi de 100 de cicluri împărțită la 200 de cicluri dintre evenimentele de exfoliere (punctul de mijloc de 150-250 de ore la 24 de ore pe ciclu este de aproximativ 6-10 cicluri per eveniment). Pierderea anuală a peretelui este de 0,05–0,12 mm, cu mult sub 0,5 mm, cu 10–15 evenimente de exfoliere/an și pierderi de 5–8 microni/eveniment. La 700 de grade cu 300 de cicluri pe an (aproximativ 6 cicluri pe săptămână), pierderea anuală este de 0,15–0,36 mm, apropiindu-se de limită. La 750 de grade cu 100 de cicluri/an pierderea anuală este de 0,5–1,2 mm, ceea ce este peste prag. Prin urmare, combinația importantă pentru pierderea inacceptabilă a peretelui este temperatura de vârf mai mare de 730°C, cu mai mult de 100 de cicluri/an, sau temperatura de vârf mai mare de 700°C, cu mai mult de 300 de cicluri/an.

Înveliș de funcționare sigur de 2,5 milimetri înveliș în serviciul cu abur
Următorul tabel arată numărul maxim sugerat de cicluri pe an pentru o manta de 2,5 mm 316 în regim de supraîncălzire cu abur ciclic pentru a menține pierderea anuală de perete sub 0,2 mm (mai puțin de 10% din grosimea peretelui pe an).

Temperatura maximă a mantalei Cicluri maxime recomandate pe an Pierderea anuală estimată a peretelui la ciclurile maxime Durată de viață estimată la 2,0 mm Peretele rămas Acțiune recomandată Peste limite Până la 600 grade 1.000 Sub 0,05 mm Peste 10 ani 316 acceptabil 600 grade – 800 mm – . 10 ani Acceptabil pentru majoritatea service-ului 650 – 680 grade 250 0.10 – 0,15 mm 5 – 8 ani Monitorizare anual 680 – 700 grade 150 0.15 – 0,20 mm 4 – 6 ani Luați în considerare modernizarea aliajului pentru o durată de viață mai lungă 700 – 720 grade – {{27} 1,3 ani 720 – 740 grade 40 0.30 – 0,45 mm 2 – 3 ani Se recomandă upgrade la Incoloy 800H 740 – 760 grade 20 0.45 – 0,70 mm 1,5 – 2 ani necesar Incoloy 800H
Nerecomandat Peste 760 de grade Peste 0,70 mm Mai puțin de 1,5 ani Utilizați aliaj pe bază de nichel
Incoloy 800H oferă o rezistență substanțial mai mare la oxidarea aburului decât Incoloy 800 pentru aplicații de supraîncălzire când temperaturile maxime ale învelișului depășesc 720°C și mai mult de 50 de cicluri pe an. Aliajul produce un oxid mai subțire, mai aderent, care se exfoliază cu o grosime de peste 100 de microni, rezultând o reducere cu un factor de 5-10 a pierderii anuale de perete, comparativ cu 316.

Modificări de proiectare pentru a reduce descuamarea în teaca-groși
Atunci când o teacă 316 de 2,5 mm trebuie să se apropie sau peste limitele permise, trei modificări de design pot reduce exfolierea fără a schimba materialul tecii. Primul este, ratele reglate ale rampei de răcire. Răcirea de la temperatura de vârf la ambiantă la viteze sub 50°C pe oră minimizează șocul termic și are ca rezultat fragmente mai mici, mai puțin distructive. A doua modificare este de a pre-oxida suprafața învelișului înainte de serviciul ciclic. Funcționarea constantă a încălzitorului la temperatură maximă timp de 500–1.000 de ore crește un oxid mai gros, mai stabil, care este mai puțin probabil să se exfolieze frecvent. O a treia modificare este menținerea temperaturii minime de așteptare la 300°C, în loc să scadă la temperatura ambientală. Acest lucru reduce solicitarea de căldură în fiecare ciclu cu 40-60%, crescând astfel foarte mult numărul de cicluri dintre episoadele de exfoliere. Pentru majoritatea aplicațiilor de supraîncălzire cu abur, o manta de 2,5 mm 316 este acceptabilă pentru temperaturi de vârf de până la 680°C cu frecvențe de ciclu tolerabile. Dincolo de 700 de grade, inginerii trebuie fie să accepte o durată de viață de 2-4 ani, fie să treacă la Incoloy 800H. Diferența de cost între 316 și Incoloy 800H pentru un supraîncălzitor este de obicei de 30-50%, dar longevitatea crescută și șansa mai mică de blocare a oxidului în echipamentele din aval fac ca modernizarea să merite. Când specificați încălzitoare pentru funcționarea ciclică cu abur, menționați întotdeauna temperatura de vârf estimată a mantalei, frecvența ciclului și durata de viață dorită. Un producător care recomandă 316 pentru funcționare la 750°C fără a menționa exfolierea cu oxid și pierderea peretelui nu oferă sfaturi inginerești complete. Exfolierea prin oxidare cu abur creează o pierdere consistentă și previzibilă a peretelui, dar acest lucru va trebui să fie luat în considerare în calculele duratei de viață. Acest lucru va fi deosebit de important pentru învelișurile cu pereți groși, unde exfolierea va elimina mai mult metal pe eveniment, datorită solmei de oxid mai groase formate la temperatură mai ridicată.