La ce prag de temperatură la suprafață stratul de oxid de pe tuburile de încălzire din oțel inoxidabil 316 trece de la protectie la ruperea-indusă subțierea pereților

Limitele stabilității mecanice a structurii oxidului duplex

Pentru tuburile electrice de încălzire învelite în oțel inoxidabil 316 și utilizate în aer, gaze de ardere sau abur supraîncălzit, stratul de oxid format pe suprafața exterioară este inițial protector-acționând ca o barieră de difuzie pentru a încetini oxidarea în continuare. Cu toate acestea, peste o temperatură a suprafeței de prag, structura de oxid se schimbă de la o scară subțire, aderentă, bogată în crom-la o scară groasă, multistratificată, bogată-fier, care se sparge frecvent. Fiecare eveniment de spargere îndepărtează nu numai oxidul, ci și un pic din metalul de bază subiacent, ducând la subțierea progresivă a peretelui și eventuala perforare. Această limită de temperatură nu este o valoare constantă, ci depinde de chimia aliajului, frecvența ciclului termic și presiunea parțială a oxigenului. Această lucrare calculează temperaturile de tranziție a oxidului pentru 316 învelișuri de încălzire din oțel inoxidabil, oferă un cadru pentru predicția ratelor de pierdere a pereților cauzate de despicare și stabilește temperaturile maxime continue de suprafață pentru serviciul de aer pe termen lung.

Cele două regimuri de oxidare ale oțelului inoxidabil 316

La temperaturi de suprafață în aer sub aproximativ 700-750 de grade , oțelul inoxidabil 316 dezvoltă un strat subțire (1-5 µm), continuu de oxid de crom (Cr₂O₃) cu niveluri minore de spinel de fier-crom. Această scară crește parabolic cu timpul, adică viteza de oxidare scade pe măsură ce scara devine mai groasă, deoarece difuzia cromului prin oxidul existent devine limitatoare de viteză. Scara este aderentă, cu un coeficient de dilatare termică nu departe de cel al metalului de bază (∼10−12 × 10⁻⁶ / grad față de 17 × 10−⁶ / grad pentru 316) și, în general, se scapă numai sub șoc termic extrem. La temperaturi peste aproximativ 750-800 de grade, oxidul de crom protector devine termodinamic mai puțin stabil în raport cu oxizii de fier. Scala formează o structură duplex cu un strat exterior de hematită (Fe 2 O 3 ) și magnetită (Fe 3 O 4 ) și un strat interior de spinel de fier-crom (FeCr 2 O 4 ) cu oxid de crom. Difuzia oxigenului prin structura poroasă a oxidului de fier este rapidă, prin urmare oxizii de fier exteriori se extind liniar în timp. Mai important, coeficientul de dilatare termică al Fe₂O₃ este de aproximativ 15×10⁻⁶/grad, iar Fe₃O₄ se extinde la 12-14×10⁻⁶/grad. Nepotrivirea cu substratul 316 (17 × 10-6 / grad) este încă moderată, dar tensiunile încorporate din expansiunea în volum a conversiei metal-oxid (raportul Pilling-Bedworth pentru fier este de 2,1, adică oxidul ocupă mai mult volum decât metalul care este consumat) induc tensiuni la compresiune care depășesc rezistența la compresiune în ciclul adeziv. Odată ce oxidul de crom protector este spart, oxidarea se accelerează dramatic - de la o constantă a vitezei parabolice de aproximativ 10⁻¹² g²/cm⁴·s la 700 de grade până la 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s la 850 de grade, o creștere de două ordine de mărime.

Temperatura pragului de scădere și dependența acesteia de ciclul termic

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, o treime din grosimea peretelui. Chiar și în condiții izoterme și la o temperatură a suprafeței de 850 de grade, se produc creșterea rapidă a oxidului (10-20 µm la 1.000 de ore) și despicarea spontană frecventă, deoarece tensiunile datorate creșterii depășesc limita de aderență. Pentru serviciul de aer, limita practică pentru fiabilitatea pe termen lung a încălzitorului este de 650 de grade de funcționare continuă, dacă subțierea pereților indusă de despicare trebuie menținută sub 10 µm pe an. În cazul în care temperaturile suprafeței depășesc 650 de grade, încălzitorul ar trebui să fie considerat un consumabil cu o perioadă de înlocuire predeterminată. Comportamentul la oxidare și deformare în intervalul normal de funcționare al încălzitoarelor cu aer învelit 316 este rezumat mai jos.

Temperatura suprafeței învelișului (grade) Tipul de oxid dominant Cinetica de oxidare Debutul deformarii (cicluri până la prima dezbinare) Rata de pierdere a metalului (µm la 10.000 ore) Max. Durată de viață recomandată (perete de 1,5 mm)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10.000 de cicluri<5 >30 de ani 550-650 Cr2O3 + minor FeCr2O4 Parabolic 5.000-10.000 de cicluri5-20 15-30 ani
650-700 Mixt Cr2O3/Fe3O4 Tranzițional 2000-5000 de cicluri 20-50 8-15 ani 700-750 Duplex Fe3O4/Fe2O3 cu strat interior bogat în Cr Linear-parabolic 500-2005} ani {{1005-2005} ciclu gros Fe3O4/Fe2O3, epuizare Cr Linear 100-500 cicluri 150-400 1-3 ani 800-850 Oxid de Fe rapid, oxidare internăLiniar<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Rolul molibdenului și siliciului în variația temperaturii de tranziție

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 de grade, datorită rezistenței lor mai bune la oboseală termică, de la 316, se vor sparge inacceptabil în câteva luni.

Evaluarea spargerii de oxid și subțierea pereților în câmp

Există trei-indicații observabile în câmp ale temperaturii suprafeței care depășește pragul de despicare pentru 316 încălzitoare de aer încapsulate aflate în funcțiune în prezent. 1. Pe podeaua incintei de încălzire sau a suprafețelor adiacente sunt prezenți fulgi negri sau maro închis. Acești fulgi sunt magnetit (Fe3O4) și pot fi atrași cu un magnet-un diagnostic simplu. Al doilea este un aspect aspru, cu sâmburi al suprafeței tecii, mai ales dacă finisajul original neted a fost înlocuit cu o suprafață texturată sau solzoasă. Al treilea, și cel mai cantitativ semn, este o scădere a rezistenței electrice a elementului de încălzire măsurată la temperatura camerei. Pe măsură ce peretele învelișului se subțiază prin despicare, diametrul intern al firului de rezistență se poate oxida și el. Dar o scădere de 5-10% a rezistenței la frig față de specificațiile originale indică o pierdere semnificativă de metal. Stratul de oxid este îndepărtat prin sablare ușoară, iar grosimea peretelui învelișului poate fi măsurată cu precizie cu un indicator de grosime ultrasonic. O grosime a peretelui sub 0,8 mm pe o manta nominala de 1,5 mm inseamna ca inlocuirea trebuie planificata in urmatoarele 6-12 luni. Pentru încălzitoarele la care temperatura suprafeței nu este cunoscută, termocuplul aplicat pe manta în timpul funcționării oferă date concludente. În cazul în care temperatura detectată este peste 700 de grade pe parcursul a mai mult de 10 % din orele de funcționare, spargerea oxidului va fi progresivă.

Strategii de proiectare pentru reducerea temperaturii învelișului pentru serviciul aerian

Pentru aplicațiile care necesită încălzire cu aer peste 650 de grade, dar în care restricțiile proiectului limitează utilizarea a 316 mantale, sunt disponibile trei abordări de proiectare pentru a reduce temperatura reală a suprafeței pentru o putere dată. Prima și cea mai simplă modalitate este de a extinde suprafața utilizând teci cu diametru mai lung sau mai mare sau prin adăugarea aripioarelor. Pentru o anumită putere, creșterea temperaturii suprafeței față de mediul ambiant este invers proporțională cu suprafața. Dacă lungimea încălzită se dublează, creșterea temperaturii se reduce la jumătate. A doua tehnică este de a crește viteza aerului peste încălzitor. La viteze scăzute ale aerului (0,5-1,0 m/sec), coeficientul de transfer de căldură este de 10-20 W/m2/K, ceea ce duce la temperaturi ridicate ale învelișului. La convecția forțată (viteza de 5-10 m/s), coeficientul crește la 50-100 W/m2·K, scăzând temperatura învelișului cu 100-200 de grade la aceeași putere. A treia tehnică este de a utiliza mai multe încălzitoare de putere mai mică în loc de un singur încălzitor de putere mare, care împrăștie puterea totală pe o zonă mai mare și reduce temperatura de vârf a mantalei. Pentru toate aplicațiile de încălzire cu aer, o temperatură maximă a învelișului de 650 de grade (măsurată sau calculată) este o limită superioară sigură pentru serviciu pe termen lung de 316. Pentru aplicarea la temperaturi mai mari, standardul trebuie să fie actualizat la oțel inoxidabil 310 sau Inconel.

Concluzie: limitele maxime de temperatură de suprafață pentru încălzitoarele de aer de tip 316

Pentru tuburile electrice de încălzire învelite în oțel inoxidabil 316 care funcționează în aer sau gaze de combustie, stratul de oxid care se formează la suprafață se schimbă de la protectiv la deformare la aproximativ 700-750 de grade continuu, dar la temperaturi semnificativ mai scăzute în condiții de ciclu termic. Pentru fiabilitatea pe termen lung (5+ ani), temperatura maximă continuă a învelișului trebuie limitată la 650 de grade . Pentru serviciul intermitent cu cicluri zilnice, limita este redusă la 600 de grade pentru a minimiza daunele cumulate prin despicare. Dacă 316 încălzitoare cu carcasă urmează să fie utilizate în orice atmosferă gazoasă în care temperatura suprafeței elementului poate depăși 650 de grade, puterea trebuie redusă pentru a reduce temperatura, debitul de aer crescut pentru răcirea prin convecție forțată sau un aliaj cu temperatură mai ridicată utilizat. În această lucrare, este prezentat un cadru care leagă temperatura învelișului de ratele de descompunere a oxidului și previziunile de subțiere a pereților, permițând cumpărătorilor să aleagă temperaturi maxime de funcționare care împiedică trecerea de la scara de protecție la despicarea distructivă și astfel să evite pierderea progresivă a peretelui care duce la perforarea prematură a tecii.