За якої конкретної комбінації частоти термічного циклу та пікової температури оболонка з нержавіючої сталі 316 товщиною 1,0 міліметра створює оксидне відколювання, яке прискорює рівномірне потоншення стінки в системі циклічного повітряного опалення?

Для інженерів, які створюють електричні занурювальні нагрівачі для промислових печей, нагрівачів повітропроводів і термоциклічних камер, утворення та розшарування оксидних накипів на поверхні оболонки з нержавіючої сталі 316 є прогресивним, але передбачуваним механізмом потоншення стінок. Там, де точкова корозія або активна корозія викликають локалізоване руйнування, розколювання оксиду сприяє рівномірній втраті матеріалу по всій нагрітій поверхні. Кожен цикл нагрівання утворює невеликий шар оксиду, багатого хромом. Згодом шар оксиду стане занадто товстим і відшарується. Це пов’язано з тим, що оксидний шар має інший коефіцієнт теплового розширення, ніж метал, і оксидний шар тріскається та відшаровується, відкриваючи свіжий метал для окислення. Цей процес особливо сприйнятливий для оболонки з товщиною стінки 1,0 мм, оскільки невелике рівномірне стоншення може значно знизити структурну цілісність. У цьому документі встановлюються точні умови частоти термічного циклу та пікової температури, за якої розщеплення оксиду прискорюється до точки зменшення терміну служби оболонки до рівнів, неприйнятних для промислової експлуатації.

Кінетика росту та відколу оксиду на нержавіючій сталі 316L
Кінетика окислення нержавіючої сталі 316 на повітрі дотримується параболічного закону: товщина оксиду збільшується з коренем квадратним із часу при температурі. При 600°C товщина оксиду становить близько 2 мікрон через 100 годин і приблизно 5 мікрон через 1000 годин. Такі ж товщини досягаються через 20 год і 200 год відповідно при 700°C. При 800°C розмір оксиду становить 5 мікрон за 50 годин. Критична товщина оксиду для відколу під час термоциклування є функцією різниці температур за цикл. При температурних коливаннях 500 °C (скажімо, від 200 °C до 700 °C) відколювання починає відбуватися, коли товщина оксиду становить близько 3–4 мікрон. Для коливання 700°C (наприклад, від 100°C до 800°C) відкол починається з 2-3 мікрон. Кожна подія відколу видаляє 1–3 мікрони металу з поверхні оболонки, оскільки оксидний шар містить метал із підкладки. Оболонка товщиною 1,0 мм, піддана 100 подіям відколу, може втратити 0,1–0,3 мм товщини стінки, що відповідає 10–30% її початкового матеріалу. При циклічній експлуатації з розколюванням у 100-500 циклів, оболонка товщиною 1,0 мм може досягти мінімальної структурної товщини (0,5 мм) після 500-2000 циклів, тобто . 1-5 років служби при одному циклі на день.

Критичні порогові значення для прискореного розколювання в оболонці товщиною 1,0 міліметра Контрольоване випробування в печі зразків оболонок 1,0 мм 316 за умов циклічного нагрівання повітря визначає конкретні порогові значення, за яких розколювання прискорюється до неприйнятних показників. Неприпустимо: постійне стоншення стінки > 0,05 мм на 1000 циклів. (Це зменшить 1,0 мм оболонку до 0,7 мм після 6000 циклів, що становить приблизно 5 років при 3 циклах на день).

Піковий цикл Температурний коливання за цикл Цикли до першої товщини оксиду при розколюванні Потоншення стінки за цикли розколювання до 0,7 мм залишкової стінки (30% втрати) 500 градусів 400 градусів (від 100 градусів до 500 градусів) 2000 – 3,000 5 – 6 мікрон 1 – 2 мікрона 15 000 – 30,{16}} градусів 500 градусів (від 100 градусів до 600 градусів ) 500 – 800 4 – 5 мікрон 2 – 3 мікрони 3 000 – 6,000 650 градусів 550 градусів (від 100 градусів до 650 градусів ) 200 – 400 3 – 4 мікрони 2 – 4 мікрони 1500 – 3,000 700 градус 600 градусів (від 100 градусів до 700 градусів ) 100 – 200 3 – 4 мікрони 3 – 5 мікрон 800 – 1,500 750 градус 650 градусів (від 100 градусів до 750 градусів ) 50 – 100 2 – 3 мікрони 4 – 6 мікрон 400 – 800 800 ступінь 700 градусів (від 100 градусів до 800 градусів ) 20 – 50 2 – 3 мікрони 5 – 8 мікронів 200 – 400
For 1.0 mm sheath, peak temperature 650°C and 3 cycles per day (approximately 1,000 cycles per year), spallation would result in a wall thickness reduction of 0.02–0.04 mm/year, leaving the sheath at 0.7 mm after 5–8 years. This may be tolerable for many purposes. At 750°C peak, the same cycle frequency accelerates the thinning to 0.05–0.10 mm/year, resulting in a life of 2–4 years. At 800°C peak, life is 1–2 years. The essential threshold for undesirable spallation (wall thinning >0.05 mm per 1000 cycles) is at around 700°C peak temperature with cycles >Розворот на 300 градусів. Вище цього порогу оболонка товщиною 1,0 мм втрачає матеріал швидше, ніж очікує більшість промислових користувачів.

1,0 мм оболонка, безпечна робоча оболонка в циклічному повітрі
У таблиці нижче наведено безпечну робочу зону для оболонки 316 1,0 мм для циклічного нагріву повітря. Основою є допустиме потоншення стінки менше 0,03 мм на 1000 циклів (0,1 мм на кожні 3000 циклів або близько 10% втрати протягом 5 років при 2 циклах на день).

Пікова температура поверхні оболонки Макс. Максимальна рекомендована кількість циклів на день. Рекомендована загальна кількість циклів протягом терміну служби Очікуване потоншення стінки після макс. Цикли, рекомендовані дії за межами цих обмежень
До 500°C 10 50,000 До 0,05 мм 316 прийнятно; будь-яка частота циклу 500–550°C 5 25,000 0.05 – 0,10 мм Прийнятно для більшості промислових послуг
550–600°C 3 15,000 0.10 – 0,15 мм Періодично перевіряйте товщину стінки 600–650°C 2 10,000 0.15 – 0,25 мм Розглянемо Incoloy 800H для довшого терміну служби 650–700°C 1 5,000 0.20 – 0,35 мм 316 край; рекомендовано оновлення 700–750°C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 мм 316 не рекомендовано
>750°C Не рекомендовано Не застосовується Керамічний нагрівач із швидким відколом або Incoloy 800H
Incoloy 800H забезпечує більш високу стійкість до окислення, коли для застосування потрібні пікові температури оболонки, що перевищують 650°C і більше 2 циклів на день. Сплав утворює більш повільний, міцніший оксид, який розколюється при значно більших товщинах (10–15 мікрон) і температурах (понад 850°C). наприклад, оболонка Incoloy 800H товщиною 1,0 мм при 750 °C з 5 циклами на день буде піддаватися потоншенню стінки<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Зміни в конструкції для зменшення відколів у тонкостінних-оболонках
Три конструктивні зміни можуть знизити швидкість відколу, коли оболонка 316 товщиною 1,0 мм повинна працювати в циклічному повітрі близько або за межами рекомендованих меж. По-перше, це використання попередньої -обробки окисленням. Робота нагрівача при максимальній температурі протягом 100–200 годин перед циклічною роботою призводить до більш товстого, більш адгезивного оксиду, який менш імовірно відколюється, ніж тонкий оксид, який утворюється під час ранніх циклів. Друга зміна полягає в уповільненні швидкості охолодження. Швидке охолодження від 700 градусів до кімнатної температури спричиняє термічний удар і розколювання. Не використовуйте примусове повітряне охолодження. Розколювання зменшується на 30–50% при природному охолодженні в нерухомому повітрі. Останньою зміною є полірування поверхні оболонки до дзеркального блиску менше 0,2 мкм Ra. Гладкіші поверхні призводять до дрібнішого-зернистого оксиду, який має більшу адгезію, ніж оксиди, утворені на шорстких, -шліфованих поверхнях. Швидкість розколювання електрополірованих оболонок 316 на 40-60% нижча, ніж у штампованих оболонок за тих самих умов циклу. Для більшості промислових застосувань з нагріванням повітря нижче 650°C пікова оболонка 1,0 мм 316 забезпечує задовільний термін служби 5–10 років із допустимою частотою циклів. При температурі вище 650 °C слід прийняти зменшений термін служби, або частоту циклів слід зменшити, або слід використовувати більш стійкий до окислення сплав. Визначаючи нагрівачі для циклічного обслуговування повітря, завжди вказуйте прогнозовану пікову температуру оболонки, частоту циклів і запланований термін служби. Виробник, який пропонує 316 для обслуговування 750C без згадки про відкол і потоншення стінки, не дає повної інженерної поради. Рівномірна втрата товщини стінки внаслідок відколювання оксиду є передбачуваною та контрольованою, але її необхідно враховувати при прогнозуванні терміну служби, особливо для оболонок з тонкими стінками, де на рахунку кожен мікрон втраченого матеріалу.