در چه آستانه دمای سطحی لایه اکسید روی لوله‌های گرمایش فولاد ضد زنگ 316 از حالت محافظ به ریزش تبدیل می‌شود-نازک شدن دیوار القایی

محدودیت های پایداری مکانیکی ساختار اکسید دوبلکس

برای لوله‌های گرمایش الکتریکی که در فولاد ضد زنگ 316 پیچیده شده‌اند و در هوا، گازهای احتراق یا بخار فوق‌گرم استفاده می‌شوند، لایه اکسیدی که روی سطح بیرونی تشکیل می‌شود در ابتدا محافظ است-به عنوان یک مانع انتشار عمل می‌کند تا اکسیداسیون بیشتر را کاهش دهد. با این حال، بالاتر از دمای سطح آستانه، ساختار اکسید از یک مقیاس نازک، چسبنده و غنی از کروم-به یک مقیاس ضخیم، چند لایه و غنی از آهن- که مکرراً می‌ریزد تغییر می‌کند. هر رویداد پوسته پوسته شدن نه تنها اکسید بلکه کمی از فلز پایه زیرین را نیز حذف می کند، که منجر به نازک شدن تدریجی دیواره و در نهایت سوراخ شدن می شود. این حد دما یک مقدار ثابت نیست اما به شیمی آلیاژ، فرکانس چرخه حرارتی و فشار جزئی اکسیژن وابسته است. این مقاله دمای انتقال اکسید را برای 316 غلاف بخاری فولاد ضد زنگ محاسبه می‌کند، چارچوبی را برای پیش‌بینی نرخ تلفات دیواره ناشی از پوسته شدن فراهم می‌کند، و حداکثر دمای سطح مداوم را برای سرویس طولانی‌مدت هوا تنظیم می‌کند.

دو رژیم اکسیداسیون فولاد ضد زنگ 316

در دمای سطحی هوا کمتر از 700{3}}750 درجه، فولاد ضد زنگ 316 یک لایه نازک (1{21}}5 میکرومتر) از اکسید کروم (Cr2O3) با سطوح جزئی آهن-کروم اسپینل ایجاد می‌کند. این مقیاس با گذشت زمان به صورت سهموی افزایش می‌یابد، یعنی با ضخیم‌تر شدن مقیاس، سرعت اکسیداسیون کاهش می‌یابد زیرا انتشار کروم از طریق اکسید موجود سرعت محدود می‌کند. مقیاس چسبیده است، با ضریب انبساط حرارتی نه چندان دور از فلز پایه (~10-12 × 10-6 / درجه در برابر 17 × 10-6 / درجه برای 316)، و به طور کلی فقط تحت شوک حرارتی شدید می‌پاشد. در دماهای بالاتر از حدود 750{35}}800 درجه، اکسید کروم محافظ از نظر ترمودینامیکی نسبت به اکسیدهای آهن کمتر پایدار می‌شود. این ترازو یک ساختار دوبلکس با یک لایه بیرونی هماتیت (Fe 2 O 3 ) و مگنتیت ( Fe 3 O 4 ) و یک لایه داخلی از اسپینل آهن- کروم (FeCr 2 O 4 ) با اکسید کروم تشکیل می دهد. انتشار اکسیژن از طریق ساختار اکسید آهن متخلخل سریع است، بنابراین اکسیدهای آهن بیرونی با زمان به صورت خطی منبسط می شوند. مهمتر از آن، ضریب انبساط حرارتی Fe2O3 تقریباً 15×10-6 / درجه است و Fe3O4 در 12{37}}14×10-6 / درجه منبسط می شود. عدم تطابق با زیرلایه 316 (17 × 10-6 / درجه) هنوز متوسط است، اما تنش های ایجاد شده ناشی از انبساط حجمی تبدیل فلز به اکسید (نسبت Pilling-Bedworth برای آهن 2.1 است، یعنی اکسید حجم بیشتری نسبت به فلزی که در اثر فشار فشاری مصرف می شود، بیشتر می کند) در طول چرخه حرارتی هنگامی که اکسید کروم محافظ شکسته می شود، اکسیداسیون به طور چشمگیری شتاب می گیرد - از ثابت نرخ سهموی حدود 10-12 g2/cm4·s در 700 درجه تا 10-10 g2/cm4·s در 850 درجه، افزایش دو مرتبه بزرگی.

دمای آستانه ریزش و وابستگی آن به چرخه حرارتی

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 میکرومتر، یک سوم ضخامت دیواره. حتی در شرایط همدما و در دمای سطح 850 درجه، رشد سریع اکسید (10{7}}20 میکرومتر در 1000 ساعت) و پوسته شدن خودبخودی مکرر رخ می دهد زیرا تنش های ناشی از رشد به تنهایی از حد چسبندگی فراتر می رود. برای سرویس هوایی، اگر قرار است نازک شدن دیوارهای ناشی از ریزش کمتر از 10 میکرومتر در سال نگه داشته شود، محدودیت عملی برای قابلیت اطمینان بلند مدت بخاری 650 درجه کار مداوم است. در مواردی که دمای سطح بالاتر از 650 درجه باشد، بخاری باید یک ماده مصرفی با دوره تعویض از پیش تعیین شده در نظر گرفته شود. رفتار اکسیداسیون و پوسته پوسته شدن در محدوده عملیاتی معمولی گرمکن های هوای غلافدار 316 در زیر خلاصه شده است.

دمای سطح غلاف (درجه) نوع اکسید غالب سینتیک اکسیداسیون شروع ریزش (چرخه تا اولین ریزش) نرخ اتلاف فلز (µm در 10000 ساعت) حداکثر. طول عمر توصیه شده (دیوار 1.5 میلی متر)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10000 چرخه<5 >30 سال 550-650 Cr2O3 + کوچک FeCr2O4 سهموی 5000-10000 چرخه5-20 15-30 سال
650-700 مخلوط Cr2O3/Fe3O4 انتقالی 2000-5000 چرخه 20-50 8-15 سال 700-750 دوبلکس Fe3O4/Fe2O3 با لایه داخلی غنی از کروم، خطی-پارابولیک 500-20 سال {0}50-20 چرخه ضخیم Fe3O4/Fe2O3، کاهش کروم خطی 100-500 چرخه 150-400 1-3 سال 800-850 اکسید آهن سریع، اکسیداسیون داخلی خطی<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
نقش مولیبدن و سیلیکون در تغییرات دمای انتقالی

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 درجه با مقاومت در برابر خستگی حرارتی بهتر از 316 در عرض چند ماه به طور غیر قابل قبولی پاره می شود.

ارزیابی ریزش اکسید و نازک شدن دیواره در میدان

سه میدانی-نشانه قابل مشاهده دمای سطح بیش از آستانه پوسته شدن برای 316 گرمکن هوای محصور شده در حال حاضر وجود دارد. 1. پوسته های سیاه یا قهوه ای تیره در کف محفظه گرمایش یا سطوح مجاور وجود دارد. این دانه‌ها مگنتیت (Fe3O4) هستند و می‌توانند با آهنربا{6}}یک تشخیص ساده جذب شوند. مورد دوم، ظاهر ناهموار و حفره‌دار سطح غلاف است، به‌ویژه اگر سطح صاف اولیه با یک سطح بافتی یا پوسته‌دار جایگزین شده باشد. سومین و کمّی‌ترین علامت، افت مقاومت الکتریکی عنصر گرمایش است که در دمای اتاق اندازه‌گیری می‌شود. همانطور که دیواره غلاف با پوسته شدن نازک می شود، قطر سیم مقاومت داخلی نیز ممکن است اکسید شود. اما کاهش 5-10 درصدی مقاومت در برابر سرما نسبت به مشخصات اولیه نشان دهنده اتلاف قابل توجه فلز است. لایه اکسید با سنگ ریزه ملایم برداشته می شود و ضخامت دیواره غلاف را می توان دقیقاً با ضخامت سنج اولتراسونیک اندازه گیری کرد. ضخامت دیواره زیر 0.8 میلی متر در غلاف اسمی 1.5 میلی متر به این معنی است که باید در 6 تا 12 ماه آینده جایگزین شود. برای بخاری هایی که دمای سطح آن مشخص نیست، ترموکوپل اعمال شده روی غلاف در حین کار داده های قطعی ارائه می دهد. در صورتی که دمای تشخیص داده شده در بیش از 10 درصد ساعات کار بالای 700 درجه باشد، پوسته شدن اکسید پیشرونده خواهد بود.

استراتژی های طراحی کاهش دمای غلاف برای خدمات هوایی

برای کاربردهایی که نیاز به گرمایش هوای بالاتر از 650 درجه دارند اما محدودیت‌های پروژه استفاده از غلاف 316 را محدود می‌کند، سه رویکرد طراحی برای کاهش دمای سطح واقعی برای یک توان خروجی داده شده در دسترس است. اولین و ساده ترین راه این است که سطح را با استفاده از غلاف هایی با قطر بلندتر یا بزرگتر یا با افزودن پره ها گسترش دهید. برای یک وات معین، افزایش دمای سطح نسبت به محیط با مساحت سطح رابطه معکوس دارد. اگر طول گرم شده دو برابر شود، افزایش دما به نصف کاهش می یابد. روش دوم افزایش سرعت هوا بر روی بخاری است. در سرعت‌های هوای کم (0.5-1.0 متر بر ثانیه) ضریب انتقال حرارت 10{17}}20 W/m2/K است که منجر به دمای غلاف بالا می‌شود. در جابجایی اجباری (سرعت 5{20}}10 متر بر ثانیه)، ضریب به 50-100 W/m2·K افزایش می‌یابد و دمای غلاف را 100-200 درجه در همان وات کاهش می‌دهد. روش سوم استفاده از بسیاری از بخاری‌های کم وات به جای یک بخاری با وات بالا است که کل توان را در یک منطقه بزرگ‌تر پخش می‌کند و دمای اوج غلاف را کاهش می‌دهد. برای همه کاربردهای گرمایش هوا، حداکثر دمای غلاف 650 درجه (اندازه گیری یا محاسبه شده) یک حد بالایی مطمئن برای سرویس طولانی مدت 316 است. برای کاربرد دمای بالاتر، استاندارد باید به فولاد ضد زنگ 310 یا اینکونل ارتقا یابد.

نتیجه‌گیری: حداکثر دمای سطح برای بخاری‌های هوای نوع 316

برای لوله های گرمایش الکتریکی پیچیده شده در فولاد ضد زنگ 316 که در هوا یا گازهای احتراق کار می کنند، لایه اکسیدی که روی سطح تشکیل می شود از محافظ به پوسته شدن در حدود 700-750 درجه پیوسته تغییر می کند، اما در دماهای بسیار پایین تر تحت شرایط چرخه حرارتی. برای قابلیت اطمینان طولانی مدت (5+ سال) حداکثر دمای غلاف پیوسته باید به 650 درجه محدود شود. برای سرویس‌های متناوب با چرخه‌های روزانه، حد مجاز به 600 درجه کاهش می‌یابد تا آسیب‌های ریزش تجمعی به حداقل برسد. اگر قرار است از 316 بخاری محصور شده در هر جو گازی استفاده شود که دمای سطح عنصر ممکن است از 650 درجه فراتر رود، برای کاهش دما، جریان هوا باید کاهش یابد، جریان هوا برای خنک کردن جابجایی اجباری افزایش یابد، یا از آلیاژ دمای بالاتر استفاده شود. در این کار، چارچوبی ارائه شده است که دمای غلاف را به سرعت پوسته شدن اکسید و پیش‌بینی نازک شدن دیواره پیوند می‌دهد، و خریداران را قادر می‌سازد تا حداکثر دمای عملیاتی را انتخاب کنند که از انتقال از مقیاس محافظ به پوسته شدن مخرب جلوگیری می‌کند و بنابراین از از دست دادن تدریجی دیواره که منجر به سوراخ شدن زودرس غلاف می‌شود، جلوگیری می‌کند.