در چه ترکیبی از فرکانس چرخه حرارتی و دمای اوج غلاف، یک غلاف فولادی ضد زنگ 2.5 میلی‌متری 316 لایه‌برداری اکسیدی را تجربه می‌کند که ضخامت دیوار را به زیر 2.0 میلی‌متر در عرض یک سال در سرویس سوپرهیتر بخار چرخه‌ای کاهش می‌دهد؟

ترکیب بخار دمای بالا و عملکرد چرخه ای یک محیط اکسیداسیون منحصر به فرد بین سوپرهیتر بخار برقی مهندس نیروگاه و غلاف فولادی ضد زنگ 316 متخصص بویلر صنعتی ایجاد می کند. برخلاف گرمایش هوا که در آن فلس‌های اکسید با سرعت نسبتاً آهسته ایجاد می‌شوند، بخار اکسیداسیون را تسریع می‌کند زیرا بخار آب از طریق لایه اکسید پخش می‌شود و با فلز زیرین واکنش نشان می‌دهد. پوسته پوسته شدن فلس های اکسید در چرخه حرارتی به ویژه برای غلاف های دیواره ضخیم مشکل ساز است. انباشته شدن اکسید به اندازه کافی ضخیم می شود که پوسته پوسته شود و با هر لایه برداری فلز پایه را با خود همراه می کند. برای سرویس سوپرهیتر، ضخامت دیواره گاهی 2.5 میلی‌متر تعیین می‌شود تا مقاومت خزشی و خوردگی مجاز باشد. با این حال، برای برخی از ترکیبات دمای اوج و فرکانس چرخه، لایه برداری اکسید می تواند 0.5 میلی متر ضخامت دیواره را در یک سال فرسایش دهد و از این رو یکپارچگی مکانیکی را به خطر بیندازد. این مقاله محدودیت های خاصی را برای میزان غیرقابل قبول لایه برداری برای غلاف 316 2.5 میلی متری در استفاده از بخار چرخه ای تعیین می کند.

مکانیسم های اکسیداسیون و لایه لایه شدن بخار در فولاد ضد زنگ 316
در بخار فوق گرم در دمای بیش از 550 درجه سانتیگراد، فولاد ضد زنگ 316 یک مقیاس اکسید دوبلکس با یک لایه مگنتیت خارجی (Fe3O4) و یک لایه اسپینل غنی از کروم{4} درونی ایجاد می کند. سرعت اکسیداسیون از یک قانون سهمی پیروی می کند. با این حال، افزودن بخار سرعت را با نسبت 2{37}}5 در مقایسه با هوا در همان دما افزایش می دهد. یک غلاف 316 ~ 10 میکرون اکسید در بخار پس از 1000 ساعت در دمای 600 درجه سانتیگراد رشد می کند. در 650 درجه ضخامت 25 میکرون{15}} درجه سانتیگراد، 60 میکرون است. اکسید در دمای 750 درجه سانتیگراد پس از 1000 ساعت بیشتر از 120 میکرون است. پوسته پوسته شدن اکسید در طول خنک شدن به دلیل رشد لایه اکسید فراتر از ضخامت بحرانی و عدم تطابق انبساط حرارتی اکسید و فلز است. ضخامت ضروری برای لایه برداری اکسیدهای تشکیل شده در بخار حدود 30-50 میکرون است. هر بار که لایه اکسیدی برداشته می شود، یک پوشش کوچک از فلز پایه (در اکثر موارد 2-5 میکرون) نیز برداشته می شود. پس از 1000 ساعت قرار گرفتن در معرض تجمعی غلاف 0.25 میلی متری در دمای 700 درجه سانتی گراد با 100 چرخه حرارتی در هر سال، اکسید تا 60 میکرون رشد می کند و لایه برداری صورت می گیرد. اگر لایه برداری هر 1000 ساعت انجام شود و هر بار 4 میکرون فلز از بین برود، افت سالانه دیواره حدود 0.035 میلی متر ناچیز خواهد بود. با این حال، لایه برداری می تواند بیشتر در دماهای بالاتر و/یا چرخه های مکرر اتفاق بیفتد، که تخریب دیواره را تسریع می کند.

آستانه بحرانی برای لایه برداری سریع غلاف در 2.5 میلی متر
آزمایش‌های اکسیداسیون بخار کنترل‌شده چرخه‌ای نمونه‌های غلاف 2.5 میلی‌متری 316، محدودیت‌های دقیقی را نشان داده‌اند که فراتر از آن افت دیواره بیش از 0.5 میلی‌متر در سال خواهد بود - نقطه‌ای که در آن غلاف 2.5 میلی‌متری در 12 ماه به 2.0 میلی‌متر کاهش می‌یابد.

حداکثر دمای غلاف ساعت ها تا اولین لایه برداری، ضخامت تجمعی اکسید در هنگام لایه برداری از دست دادن فلز در هر رویداد لایه برداری تعداد چرخه در سال برای تلفات سالانه بیش از 0.5 میلی متر مکانیزم شکست غالب 550 درجه سانتی گراد 8000 – 3000 – 30250 میکرو ثانیه ممکن است زیر 2000 سیکل در سال لایه برداری غیر قابل توجه 600 درجه 2000 - 3000 ساعت 35 - 45 میکرون 3 - 5 میکرون بالاتر از 500 سیکل / سال خطر حاشیه ای 650 درجه 500 - 800 ساعت 50 - 70 میکرون 50 میکرون 50 - 5 میکرون 4 - ریسک 700 درجه 150 – 250 ساعت 80 – 120 میکرون 5 – 8 میکرون بالای 50 سیکل در سال خطر بالا 750 درجه 50 – 100 ساعت 150 – 200 میکرون 8 – 12 میکرون بالای 20 سیکل در سال 80 – 50 – 40 درجه لایه برداری شدید 20 – 50 – 20 ساعت میکرون 12 تا 20 میکرون بیش از 10 سیکل در سال از دست دادن سریع دیواره
برای یک سوپرهیتر در حداکثر دمای غلاف 700 درجه سانتی گراد و 100 سیکل در سال (تقریباً 2 سیکل در هفته)، افت سالانه دیواره 100 سیکل تقسیم بر 200 سیکل بین رویدادهای لایه برداری خواهد بود (نقطه میانی 150 تا 250 ساعت در 24 ساعت در هر سیکل تقریباً 6 سیکل است). از دست دادن سالانه دیواره 0.05-0.12 میلی متر است، بسیار کمتر از 0.5 میلی متر، با 10-15 رویداد لایه برداری در سال و 5-8 میکرون از دست دادن / رویداد. در دمای 700 درجه با 300 چرخه در سال (حدود 6 سیکل در هفته)، افت سالانه 0.15-0.36 میلی متر است که به حد مجاز نزدیک می شود. در 750 درجه با 100 سیکل در سال، تلفات سالانه 0.5-1.2 میلی متر است که بالاتر از آستانه است. بنابراین، ترکیب مهم برای از دست دادن غیرقابل قبول دیوار، دمای پیک بیشتر از 730 درجه سانتی گراد، با بیش از 100 سیکل در سال، یا دمای پیک بیشتر از 700 درجه سانتی گراد، با بیش از 300 سیکل در سال است.

پاکت عملکرد ایمن غلاف 2.5 میلی متری در سرویس بخار
جدول زیر حداکثر تعداد سیکل های پیشنهادی در سال را برای یک غلاف 2.5 میلی متری 316 در کار سوپرهیتر بخار چرخه ای نشان می دهد تا افت سالانه دیواره را زیر 0.2 میلی متر (کمتر از 10٪ ضخامت دیوار در سال) نگه دارد.

حداکثر دمای غلاف حداکثر چرخه‌های توصیه‌شده در سال تلفات سالانه دیوار مورد انتظار در حداکثر چرخه عمر تخمینی تا 2.0 میلی‌متر دیوار باقی‌مانده اقدام توصیه‌شده بالاتر از حد مجاز تا 600 درجه 1000 زیر 0.05 میلی‌متر بیش از 10 سال 3016 – 10-95 درجه قابل قبول. میلی متر 8 – 10 سال قابل قبول برای اکثر سرویس ها 650 – 680 درجه 250 0.10 – 0.15 میلی متر 5 – 8 سال مانیتور سالانه 680 – 700 درجه 150 0.15 – 0.20 میلی متر 4 – 6 سال ارتقای آلیاژ را برای عمر بیشتر در نظر بگیرید 700 – 3 – 720 میلی متر 316 حاشیه 720 – 740 درجه 40 0.30 – 0.45 میلی‌متر 2 – 3 سال ارتقا به Incoloy 800H توصیه شده 740 – 760 درجه 20 0.45 – 0.70 mm 1.5 – 2 سال Incoloy 800H مورد نیاز
توصیه نمی شود بالای 760 درجه بالای 0.70 میلی متر کمتر از 1.5 سال استفاده از آلیاژ مبتنی بر نیکل
Incoloy 800H به طور قابل ملاحظه ای مقاومت اکسیداسیون بخار را نسبت به Incoloy 800 برای کاربردهای سوپرهیتر زمانی که دمای اوج غلاف بیش از 720 درجه سانتی گراد و بیش از 50 سیکل در سال است، ارائه می دهد. این آلیاژ اکسید نازک‌تر و چسبنده‌تری تولید می‌کند که با ضخامت بالای 100 میکرون لایه‌برداری می‌کند و در نتیجه کاهش 5 تا 10 درصدی کاهش سالانه دیواره در مقایسه با 316 را به همراه دارد.

تغییرات طراحی برای کاهش پوسته پوسته شدن در غلاف های دیواره ضخیم-
هنگامی که یک غلاف 2.5 میلی متری 316 باید نزدیک یا بالاتر از حد مجاز اجرا شود، سه تغییر طراحی می تواند لایه برداری را بدون تغییر مواد غلاف کاهش دهد. اولین مورد، نرخ‌های رمپ خنک‌کننده تنظیم‌شده است. خنک‌سازی از دمای اوج تا محیط با سرعت کمتر از 50 درجه سانتی‌گراد در ساعت، شوک حرارتی را به حداقل می‌رساند و منجر به ایجاد قطعات کوچک‌تر و مخرب کمتر می‌شود. تغییر دوم این است که سطح غلاف را قبل از سرویس چرخه ای از قبل-اکسید کنید. کارکردن بخاری در دمای کامل به مدت 500 تا 1000 ساعت، اکسید غلیظتر و پایدارتری تولید می کند که احتمال لایه برداری مکرر آن کمتر است. تغییر سوم این است که به جای کاهش دمای محیط، حداقل دمای آماده به کار را روی 300 درجه سانتیگراد نگه دارید. این کار فشار حرارتی را در هر چرخه تا 40-60% کاهش می‌دهد، بنابراین تعداد چرخه‌های بین دوره‌های لایه‌برداری را بسیار افزایش می‌دهد. برای اکثر کاربردهای سوپرهیتر بخار، یک غلاف 2.5 میلی متری 316 برای حداکثر دما تا 680 درجه سانتی گراد با فرکانس سیکل قابل تحمل قابل قبول است. فراتر از 700 درجه، مهندسان باید عمر خدمات 2 تا 4 سال را بپذیرند یا به Incoloy 800H ارتقا دهند. تفاوت هزینه بین 316 و Incoloy 800H برای سوپرهیتر معمولاً 30-50٪ است، اما افزایش طول عمر و احتمال کمتر انسداد اکسید در تجهیزات پایین دستی، ارتقا را ارزشمند می کند. هنگام مشخص کردن بخاری‌ها برای عملکرد بخار چرخه‌ای، همیشه دمای پیش‌بینی‌شده غلاف، فرکانس چرخه و عمر مفید مورد نظر را ذکر کنید. سازنده ای که 316 را برای 750 درجه سانتیگراد توصیه می کند بدون ذکر لایه برداری اکسید و از بین رفتن دیواره، توصیه مهندسی کاملی ارائه نمی دهد. لایه برداری اکسیداسیون با بخار باعث از دست دادن دیواره ثابت و قابل پیش بینی می شود، اما این باید در محاسبات عمر مفید در نظر گرفته شود. این امر به ویژه برای غلاف های دیواره ضخیم که در آن لایه برداری فلز بیشتری را در هر رویداد حذف می کند، به دلیل مقیاس اکسید ضخیم تر تشکیل شده در دمای بالاتر، مهم است.