Við hvaða yfirborðshitaþröskuld breytist oxíðlagið á 316 ryðfríu stáli hitunarrörum úr hlífðarefni yfir í spörun-Voluð veggþynning

Takmörk tvíhliða oxíðbyggingarinnar vélrænni stöðugleika

Fyrir rafhitunarrör vafðar í 316 ryðfríu stáli og notaðar í loft, brennslulofttegundir eða ofhitaða gufu, er oxíðlagið sem myndast á ytra yfirborðinu upphaflega verndandi- og virkar sem dreifingarhindrun til að hægja á frekari oxun. Yfir viðmiðunarmörk yfirborðshitastigs breytist oxíðbyggingin hins vegar úr þunnu, viðloðandi, króm-ríku hreistri yfir í þykkt, marglaga, járn-ríkt hreiður sem losnar oft. Hver sprautunaratburður fjarlægir ekki aðeins oxíðið heldur einnig smá af undirliggjandi grunnmálmi, sem leiðir til vaxandi veggþynningar og að lokum götunar. Þessi hitastigsmörk eru ekki fast gildi en eru háð efnafræði álfelgurs, tíðni hitahringrásar og súrefnishlutþrýstings. Þessi grein reiknar út oxíðbreytingarhitastig fyrir 316 hitaslíður úr ryðfríu stáli, gefur umgjörð til að spá fyrir um hraða veggtaps sem stafar af klofningi og setur hámarks samfelldan yfirborðshita fyrir langtíma flugþjónustu.

Tvö oxunarkerfi 316 ryðfríu stáli

Við yfirborðshitastig í lofti undir u.þ.b. 700-750 gráður myndar 316 ryðfrítt stál þunnt (1-5 µm), samfellt lag af krómoxíði (Cr₂O₃) með minniháttar magni af járni-krómsníli. Þessi kvarði hækkar með fleygjum með tímanum þ.e. oxunarhraði minnkar eftir því sem kvarðinn verður þykkari vegna þess að krómdreifing í gegnum núverandi oxíð verður hraðatakmarkandi. Kvarðinn er viðloðandi, með varmaþenslustuðul ekki langt frá grunnmálmnum (∼10−12 × 10⁻⁶ / gráðu á móti 17 × 10−⁶ / gráðu fyrir 316), og rofnar venjulega aðeins við mikla hitaáfall. Við hitastig yfir um 750-800 gráður verður verndandi krómoxíð varmafræðilega minna stöðugt með tilliti til járnoxíða. Kvarðinn myndar tvíhliða uppbyggingu með ytra lagi af hematíti (Fe 2 O 3 ) og magnetíti (Fe 3 O 4 ) og innra lagi af járni - krómspinel (FeCr 2 O 4 ) með krómoxíði. Dreifing súrefnis í gegnum gljúpa járnoxíðbygginguna er hröð, þess vegna þenjast ytri járnoxíð út línulega með tímanum. Meira um vert, varmaþenslustuðull Fe₂O₃ er um það bil 15×10⁻⁶/gráðu og Fe₃O₄ stækkar við 12-14×10⁻⁶/gráðu. Misræmið við 316 undirlagið (17 × 10-6 / gráðu) er enn í meðallagi, en álagið sem er innbyggt frá rúmmálsþenslu málm-til-oxíðumbreytingarinnar (Pilling-Bedworth hlutfallið fyrir járn er 2,1, þ.e. oxíðið tekur meira rúmmál en málmurinn sem er neytt) veldur þrýstistyrk sem fer yfir þrýstistyrkinn í efnahringnum. Þegar verndandi krómoxíðið er brotið hraðar oxunin verulega - úr fleygbogahraðafasta sem er um 10⁻¹² g²/cm⁴·s við 700 gráður í 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s við 850 gráður, sem er aukning um tvær stærðargráður.

Sprengingarþröskuldur hitastig og háður hitauppstreymi

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, þriðjungur af veggþykktinni. Jafnvel við jafnhitaskilyrði og við yfirborðshitastig upp á 850 gráður, verður hraður oxíðvöxtur (10-20 µm á 1.000 klukkustundir) og tíð sjálfsprottin sprunga vegna þess að spennan vegna vaxtar eingöngu fer yfir viðloðun viðloðun. Fyrir flugþjónustu eru hagnýt mörk fyrir -áreiðanleika hitara til lengri tíma litið 650 gráður af samfelldri notkun ef halda skal þynningu veggja af völdum klöppunar undir 10 µm á ári. Ef yfirborðshiti yfir 650 gráður ætti að líta á hitarinn sem rekstrarvöru með fyrirfram ákveðnum skiptitíma. Oxunar- og losunarhegðun á venjulegu rekstrarsviði 316 hlífðar lofthitara er tekin saman hér að neðan.

Slíður Yfirborðshiti (gráða) Ríkjandi oxíðgerð Oxunarhvörf Hreyfifræði losun (sveifla til fyrstu losunar) Málmtapshraði (µm á 10.000 klst.) Hámark. Ráðlagður endingartími (1,5 mm veggur)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10.000 lotur<5 >30 ár 550-650 Cr2O3 + minniháttar FeCr2O4 Parabolic 5.000-10.000 lotur5-20 15-30 ár
650-700 Blönduð Cr2O3/Fe3O4 Transitional 2000-5000 lotur 20-50 8-15 ár 700-750 Duplex Fe3O4/Fe2O3 með Cr-ríku innra lagiLínuleg-fleygboga 500-2005-0 ár {005-0 ára {005-0} ár Fe3O4/Fe2O3, Cr eyðing Línuleg 100-500 lotur 150-400 1-3 ár 800-850 Hröð Fe oxíð, innri oxun Línuleg<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Hlutverk mólýbdens og kísils í breytileika umbreytingarhitastigs

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 gráður vegna betri hitaþreytuþols þeirra þar sem 316 mun losna á óviðunandi hátt á nokkrum mánuðum.

Mat á oxíðsspjöllum og veggþynningu á sviði

Þrjár sviðs-vísbendingar um yfirborðshitastig sem fer yfir sprunguþröskuldinn eru til fyrir 316 innbyggða lofthitara sem nú eru í notkun. 1. Svartar eða dökkbrúnar flögur eru til staðar á gólfi hitunarhólfsins eða aðliggjandi fleti. Þessar flögur eru segulsteinar (Fe3O4) og hægt er að draga þær með segli-einfaldri greiningu. Annað er gróft, gróft útlit á slíðuryfirborðinu, sérstaklega ef upprunalega sléttu áferðin hefur verið skipt út fyrir áferð eða hreistruð yfirborð. Þriðja, og megindlegasta táknið, er lækkun á rafviðnámi hitaeiningarinnar mælt við stofuhita. Þar sem slíðurveggurinn þynnist með spjöllum getur þvermál innra viðnámsvíra einnig oxast. En 5-10% lækkun á kuldaþoli frá upprunalegu forskriftinni gefur til kynna umtalsvert málmtap. Oxíðlagið er fjarlægt með mildri sandblástur og hægt er að mæla slíðurveggþykktina nákvæmlega með úthljóðsþykktarmæli. Veggþykkt undir 0,8 mm á 1,5 mm slíðri að nafnverði þýðir að skipuleggja ætti endurnýjun á næstu 6-12 mánuðum. Fyrir hitara þar sem yfirborðshiti er ekki þekktur gefur hitaeiningin sem er sett á slíðrið meðan á notkun stendur óyggjandi gögn. Ef hitastigið sem greinist er yfir 700 gráður í meira en 10% af vinnustundum mun oxíðslosunin fara vaxandi.

Hönnunaraðferðir til að draga úr hitastigi slíðunnar fyrir flugþjónustu

Fyrir forrit sem krefjast lofthitunar yfir 650 gráður en þar sem verkefnistakmarkanir takmarka notkun á 316 slíðrum, eru þrjár hönnunaraðferðir tiltækar til að lækka raunverulegan yfirborðshita fyrir tiltekið afköst. Fyrsta og auðveldasta leiðin er að stækka yfirborðið með því að nota slíður með lengri eða stærri þvermál eða með því að bæta við uggum. Fyrir tiltekið rafafl er hækkun yfirborðshita yfir umhverfið öfugt við yfirborðsflatarmálið. Ef hituð lengd er tvöfölduð, minnkar hitahækkunin um helming. Önnur tæknin er að auka lofthraðann yfir hitaranum. Við lágan lofthraða (0,5-1,0 m/sek) er hitaflutningsstuðullinn 10-20 W/m2/K, sem leiðir til hás hitastigs slíðunnar. Við þvingaða convection (5-10 m/s hraða) eykst stuðullinn í 50-100 W/m2·K, sem lækkar hitastig slíðunnar um 100-200 gráður við sama afl. Þriðja aðferðin er að nota marga hitara með lægri afl í stað eins háa hitara, sem dreifir heildaraflinu yfir stærra svæði og dregur úr hámarkshitastigi slíðunnar. Fyrir öll lofthitunarforrit er hámarkshitastig slíðunnar 650 gráður (mælt eða reiknað) örugg efri mörk fyrir langtímaþjónustu 316. Fyrir hærri hitastig þarf að uppfæra staðalinn í 310 ryðfríu stáli eða Inconel.

Ályktun: Hámarksmörk yfirborðshita fyrir lofthitara af gerð 316

Fyrir rafhitunarrör sem eru vafin í 316 ryðfríu stáli sem starfa í lofti eða brennslulofttegundum breytist oxíðlagið sem myndast á yfirborðinu úr verndandi í spölun við um 700-750 gráðu samfellt, en við verulega lægra hitastig við hitauppstreymi. Fyrir langtíma áreiðanleika (5+ ár) ætti hámarks samfellt slíðrahitastig að vera takmarkað við 650 gráður. Fyrir þjónustu með hléum með daglegum lotum eru mörkin lækkuð niður í 600 gráður til að lágmarka uppsafnaðan skaða. Ef nota á 316 innbyggða hitara í einhverju loftkenndu andrúmslofti þar sem yfirborðshiti frumefnisins getur farið yfir 650 gráður, verður að draga úr rafaflinu til að lækka hitastigið, auka loftflæðið fyrir þvingaða convection kælingu eða nota hærra hitastig málmblöndu. Í þessu verki er settur fram rammi sem tengir hitastig slíðunnar við hraða oxíðflögnunar og spár um þynningu veggja, sem gerir kaupendum kleift að velja hámarks vinnsluhitastig sem kemur í veg fyrir umskipti frá hlífðarkvarða yfir í eyðileggjandi flögnun, og forðast þannig stigvaxandi veggtap sem leiðir til ótímabæra götunar slíður.