Ce flux de căldură maxim admisibil la o temperatură a mantalei de 400 de grade în aer previne ruperea excesivă a oxidului și pierderea metalului de la 316 tuburi de încălzire din oțel inoxidabil după 10.000 de ore

Fluxul de căldură-Regimul de oxidare limitat pentru-expunerea pe termen lung la aer

Pentru tuburile electrice de încălzire din oțel inoxidabil 316, care funcționează la o temperatură a mantalei de 400 de grade în aer, o situație obișnuită pentru încălzitoarele industriale de aer, cuptoarele și încălzitoarele de conducte, fluxul de căldură aplicat (W/cm2) controlează atât ritmul de creștere a oxidului, cât și tendința de descompunere. În timp ce temperatura de vârf a învelișului este frecvent restricția majoră de proiectare, fluxul de căldură dictează în mod independent gradientul termic de-a lungul stratului de oxid și tensiunile termice rezultate care duc la ruperea. Oxidul de pe 316 la 400 de grade este în mare parte Cr₂O₃ cu ceva Fe₂O₃ și este în general protector. Cu toate acestea, pentru fluxurile de căldură mai mari de 6 W/cm2, gradientul de temperatură de-a lungul stratului de oxid (de obicei, 10-50 µm grosime) produce tensiuni mai mari decât rezistența de aderență oxid-metal și are ca rezultat ruperea periodică cu pierderi crescute de metal. Scăparea oxidului este neglijabilă sub 3 W/cm² și pierderea de metal este<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Cum fluxul de căldură provoacă ruperea oxidului

Când o înveliș 316 este expusă la aer la o temperatură a suprafeței de 400 de grade, scara de oxid crește la o rată dependentă de temperatura suprafeței și de timp. Cu toate acestea, fluxul de căldură (rata de transmitere a căldurii prin peretele învelișului) provoacă o diferență de temperatură în contactul oxid-metal. Suprafața exterioară a stratului de oxid se află la temperatura nominală a învelișului (400 grade ), iar contactul oxid-metalului este puțin mai rece datorită rezistenței termice a oxidului. Mărimea gradientului este proporțională cu stratul de oxid și conductivitatea termică a acestuia (~3–5 W/m·K pentru Cr2O3). La fluxuri scăzute de căldură (<3 W/cm^2), the temperature drop over a 20 μm oxide layer is less than 1°C and thermal strains are insignificant. At strong heat fluxes (>6-8 W/cm2), scăderea de temperatură poate fi de 5-15 grade, astfel încât oxidul este sub presiune de compresiune pe măsură ce crește. Când este răcit (încălzitorul se oprește), oxidul se micșorează mai mult decât metalul (coeficienți diferiți de dilatare termică) provocând tensiuni de tracțiune care induc ruperea.

Cuantificarea fluxului de căldură și a spargerii oxidului la 400 oC

Testarea de oxidare ciclică (10.000 de ore în total, cicluri de 1 oră la temperatură, 30 de minute de răcire cu aer forțat la 100 de grade) a țevilor din oțel inoxidabil 316 la temperatura mantalei de 400 de grade cu fluxuri de căldură variate (controlate de grosimi variate ale peretelui și temperatură internă a firului) a stabilit următoarele rate de spargere și pierderi de metal.

Flux de căldură (W/cm 2 ) Grosimea oxidului după 10.000 de ore (μm) Debutul deformarii (cicluri până la prima dezbinare) Evenimente de spargere / 1000 de cicluri Pierdere totală de metal (µm) După 10.000 de ore Grosimea peretelui rămasă (de la 1,5 mm începere, µm-100, recomandată pentru întreținere)<2 8-12 >10.000 (fără defalcare) 0 2-5 1,495-1.498 Da 2-3 10-15 5,000-10.000<1 5-10 1,490-1,495 Yes 3-4 12-18 2,000-5,000 1-3 10-20 1,480-1,490 Acceptable 4-5 15-22 1,000-2,000 3-8 20-35 1,465-1,480 Marginal 5-6 18-25 500-1,000 8-15 35-60 1,440-1,465 Not recommended for long life
6-8 25-35 200-500 15-30 60-100 1,400-1,440 Inacceptabil
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Influența grosimii tecii asupra fluxului de căldură permis

Pentru o putere dată, fluxul de căldură este mai mic dacă pereții sunt mai groși, deoarece suprafața exterioară este mai mare. Pentru două încălzitoare cu aceeași putere, o manta mai groasă (DO mai mare) are un flux de căldură mai mic. Tabelul de mai jos ilustrează fluxul de căldură maxim permis pentru diferite grosimi de perete pentru o durată de viață de 10.000 de ore cu<20 μm metal loss.

Diametru exterior manta (mm) Grosime perete (mm) Max. Putere pentru 10.000 de ore de viață la 400 de grade (echivalent în W/cm²) Flux de căldură maxim (W/cm2) pentru<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm lungime 4,0 Încălzitoare compacte,-de putere redusă
10.0 1.2 70 W/cm lungime 4,5 Utilizare generală 10.0 1.5 85 W/cm lungime 5,0 Standard industrial 12.0 1.5 100 W/cm lungime 5,5 Putere moderată
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Putere mare, durată lungă de viață
14.0 2.0 150 L per cm lungime 6,5 Durată de viață extinsă
200 W pe cm lungime 7,0 Durată maximă de viață (cu upgrade din aliaj) 16.0 2.5
Ghid de proiectare pentru încălzitoare de aer de 400 de grade Practic

Pentru încălzitoarele de aer cu manta din oțel 316 care lucrează la o temperatură a mantalei de 400 de grade, următoarele restricții ale fluxului de căldură vor avea ca rezultat o durată de viață de 10 000 ore cu pierderi acceptabile de metal.

Durată de viață dorită (ore) Flux maxim de căldură (W/cm2) Pierdere de metal (µm) Dimensiuni recomandate ale mantalei 5.000<8 60-100 Standard 10 mm OD x 1.5 mm wall 10,000 <5 20-35 Larger diameter or lower wattage
20,000 <3.5 10-15 mm OD, 2.0 mm wall
40,000 <2.5 5-8 16 mm OD, 2.5 mm wall (or upgrade to 310)
Diagnosticarea pe teren a rupturii datorate fluxului de căldură

Scăparea oxidului din cauza fluxului ridicat de căldură provoacă aspățarea și subțierea suprafeței distinctive a unui încălzitor 316 care funcționează 5.000-10.000 de ore în aer la 400 de grade. Oxidul de pe manta nu este un strat continuu, ci o scara groasa sparta intercalata cu metal expus unde a avut loc recent despicarea. Porțiunile rupte pot prezenta depresiuni circulare superficiale pe suprafața metalică. Diametrul tecii va fi măsurat cu un micrometru pentru a demonstra reduceri locale de 0,1 până la 0,3 mm față de dimensiunea originală. Pentru astfel de încălzitoare, o reducere cu 30-40% a fluxului de căldură (prin creșterea suprafeței sau reducerea puterii) va prelungi durata de viață la 10.000 de ore vizate.

Concluzii: Setarea limitelor fluxului de căldură pentru încălzitoarele de aer lungi

Pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 care funcționează cu aer la 400 de grade, fluxul maxim de căldură permis pentru 10.000 de ore de viață cu o pierdere de metal de<20 µm is about 5 W/cm^2. Oxide spalling is common at heat fluxes > 6-8 W/cm2, and metal loss accelerates to 60-100 µm in 10,000 hours - enough to jeopardise a 1.5 mm wall in 20,000-30,000 hours. The heat flux shall not be greater than 5 W/cm2 for 10,000 hours service. The engineers selecting 316 air heaters shall determine the heat flux from the wattage and sheath surface area. For higher heat fluxes one needs larger diameter sheaths or lower wattages. The methodology given here correlates heat flux to measurable oxide spalling rates and overall metal loss, allowing buyers to specify 316 sheaths that retain their wall thickness and integrity over the design life in air heating service at 400°C.