Ở mức độ kết hợp cụ thể nào giữa tần số chu kỳ nhiệt và nhiệt độ vỏ bọc cao nhất, vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 2,5 mm có trải nghiệm tẩy da chết bằng oxit làm giảm độ dày của thành dưới 2,0 mm trong vòng một năm khi sử dụng bộ tăng nhiệt hơi nước tuần hoàn?

Sự kết hợp giữa hơi nước ở nhiệt độ cao và hoạt động tuần hoàn tạo ra một môi trường oxy hóa độc đáo giữa bộ siêu nhiệt hơi nước điện của kỹ sư nhà máy điện và vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 của chuyên gia nồi hơi công nghiệp. Không giống như sưởi ấm không khí nơi các lớp oxit tích tụ với tốc độ tương đối chậm, hơi nước làm tăng tốc độ oxy hóa vì hơi nước khuếch tán qua lớp oxit và phản ứng với kim loại bên dưới. Sự vỡ vụn của các vảy oxit trong chu trình nhiệt đặc biệt là vấn đề đối với các lớp vỏ có thành dày. Sự tích tụ-oxit trở nên dày đến mức có thể vỡ ra, mang theo kim loại cơ bản sau mỗi lần tẩy da chết. Đối với dịch vụ của bộ quá nhiệt, độ dày thành đôi khi được quy định là 2,5 mm để cho phép độ bền từ biến và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, đối với một số sự kết hợp giữa nhiệt độ cao nhất và tần suất chu kỳ, quá trình bong tróc oxit có thể làm xói mòn 0,5 mm độ dày thành trong một năm và do đó làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học. Bài viết này thiết lập các giới hạn cụ thể đối với tốc độ tẩy da chết không được chấp nhận đối với vỏ bọc 2,5 mm 316 khi sử dụng hơi nước theo chu kỳ.

Cơ chế oxy hóa và phân tách hơi nước của thép không gỉ 316
Trong hơi nước quá nhiệt ở nhiệt độ vượt quá 550°C, thép không gỉ 316 phát triển lớp oxit kép với lớp magnetit (Fe3O4) bên ngoài và lớp Spinel giàu crom-bên trong. Tốc độ oxy hóa tuân theo định luật parabol; tuy nhiên, việc bổ sung hơi nước sẽ nâng cao tốc độ lên tỷ lệ 2-5 so với không khí ở cùng nhiệt độ. Vỏ bọc 316 tạo ra ~10 micron oxit trong hơi nước sau 1000 giờ ở 600°C. Ở 650 độ, độ dày là 25 micron. 700°C, 60 micron. Oxit lớn hơn 120 micron ở 750°C sau 1000 giờ. Sự vỡ vụn của oxit trong quá trình làm mát là do lớp oxit phát triển vượt quá độ dày tới hạn và sự giãn nở nhiệt của oxit và kim loại không phù hợp. Độ dày cần thiết để tẩy da chết các oxit hình thành trong hơi nước là khoảng 30-50 micron. Mỗi lần lớp oxit được loại bỏ, một lớp phủ kim loại cơ bản nhỏ (2-5 micron trong hầu hết các trường hợp) cũng bị loại bỏ. Sau 1000 giờ tiếp xúc tích lũy với vỏ bọc 0,25 mm ở 700°C với 100 chu kỳ nhiệt mỗi năm, lớp oxit sẽ tăng lên 60 micron và quá trình bong tróc sẽ diễn ra. Nếu quá trình tẩy da chết diễn ra cứ sau 1.000 giờ và mỗi lần bong ra 4 micron kim loại thì lượng mất đi của thành hàng năm sẽ vào khoảng 0,035 mm - không đáng kể. Tuy nhiên, quá trình bong tróc có thể xảy ra thường xuyên hơn ở nhiệt độ cao hơn và/hoặc chu kỳ thường xuyên hơn, điều này làm tăng tốc độ thoái hóa của thành.

Ngưỡng quan trọng để tẩy da chết nhanh bằng vỏ bọc trong 2,5 mm
Các thử nghiệm oxy hóa hơi nước có kiểm soát theo chu kỳ của các mẫu vỏ bọc 2,5 mm 316 đã cho thấy các giới hạn chính xác mà vượt quá giới hạn đó thì độ hao hụt thành sẽ lớn hơn 0,5 mm mỗi năm – điểm mà tại đó vỏ bọc 2,5 mm sẽ giảm xuống còn 2,0 mm trong 12 tháng.

Số giờ nhiệt độ vỏ bọc tối đa cho đến lần tẩy da chết đầu tiên, Độ dày tích lũy của oxit khi tẩy da chết Mất kim loại trên mỗi sự kiện tẩy da chết Số chu kỳ mỗi năm đối với tổn thất hàng năm vượt quá 0,5 mm Cơ chế hỏng hóc chủ yếu 550°C 8.000 – 10.000 giờ 25 – 30 micron 2 – 3 micron Không thể dưới 2.000 chu kỳ/năm Tẩy da chết không đáng kể 600 độ 2.000 – 3.000 giờ 35 – 45 micron 3 – 5 micron Trên 500 chu kỳ/năm Rủi ro cận biên 650 độ 500 – 800 giờ 50 – 70 micron 4 – 6 micron Trên 150 chu kỳ/năm Rủi ro vừa phải 700 độ 150 – 250 giờ 80 – 120 micron Trên 5 – 8 micron 50 chu kỳ/năm Rủi ro cao 750 độ 50 – 100 giờ 150 – 200 micron 8 – 12 micron Trên 20 chu kỳ/năm Tẩy da chết nghiêm trọng 800 độ 20 – 40 giờ 250 – 350 micron 12 – 20 micron Trên 10 chu kỳ/năm Mất thành tế bào nhanh chóng
Đối với bộ quá nhiệt ở nhiệt độ vỏ bọc cao nhất 700°C và 100 chu kỳ mỗi năm (khoảng 2 chu kỳ mỗi tuần), tổn thất thành hàng năm sẽ là 100 chu kỳ chia cho 200 chu kỳ giữa các lần bong tróc (điểm giữa của 150–250 giờ ở 24 giờ mỗi chu kỳ là khoảng 6–10 chu kỳ cho mỗi sự kiện). Sự mất đi thành tế bào hàng năm là 0,05–0,12 mm, thấp hơn nhiều so với 0,5 mm, với 10–15 lần bong tróc/năm và mất 5–8 micron/sự kiện. Ở nhiệt độ 700 độ với 300 chu kỳ mỗi năm (khoảng 6 chu kỳ mỗi tuần), tổn thất hàng năm là 0,15–0,36 mm, gần đạt đến giới hạn. Ở 750 độ với 100 chu kỳ/năm, tổn thất hàng năm là 0,5–1,2 mm, cao hơn ngưỡng. Do đó, sự kết hợp quan trọng dẫn đến sự mất mát thành không được chấp nhận là nhiệt độ cao nhất lớn hơn 730°C, với hơn 100 chu kỳ/năm, hoặc nhiệt độ cao nhất lớn hơn 700°C, với hơn 300 chu kỳ/năm.

Phong bì vận hành an toàn vỏ bọc 2,5 mm trong dịch vụ hơi nước
Bảng sau đây cho thấy số chu kỳ được đề xuất tối đa mỗi năm cho vỏ bọc 2,5 mm 316 trong chế độ làm việc của bộ quá nhiệt hơi nước tuần hoàn để giữ tổn thất thành hàng năm dưới 0,2 mm (nhỏ hơn 10% độ dày thành mỗi năm).

Nhiệt độ vỏ bọc cao nhất Số chu kỳ khuyến nghị tối đa mỗi năm Mất mát thành hàng năm dự kiến ở các chu kỳ tối đa Tuổi thọ sử dụng ước tính đến 2,0 mm Tường còn lại Hành động đề xuất trên Giới hạn Lên tới 600 độ 1.000 Dưới 0,05 mm Trên 10 năm 316 chấp nhận được 600 – 650 độ 500 0.05 – 0,10 mm 8 – 10 năm Có thể chấp nhận đối với hầu hết các dịch vụ 650 – 680 độ 250 0.10 – 0,15 mm 5 – 8 năm Giám sát hàng năm 680 – 700 độ 150 0.15 – 0,20 mm 4 – 6 năm Xem xét nâng cấp hợp kim để có tuổi thọ cao hơn 700 – 720 độ 80 0.20 – 0,30 mm 3 – 4 năm 316 cận biên 720 – 740 độ 40 0.30 – 0,45 mm 2 – 3 năm Nên nâng cấp lên Incoloy 800H 740 – 760 độ 20 0.45 – 0,70 mm 1,5 – 2 năm Yêu cầu Incoloy 800H
Không khuyến nghị Trên 760 độ Trên 0,70 mm Dưới 1,5 năm Sử dụng hợp kim gốc niken
Incoloy 800H cung cấp khả năng chống oxy hóa hơi nước lớn hơn đáng kể so với Incoloy 800 cho các ứng dụng bộ quá nhiệt khi nhiệt độ vỏ bọc cao nhất vượt quá 720°C và hơn 50 chu kỳ mỗi năm. Hợp kim này tạo ra một lớp oxit mỏng hơn, bám dính hơn, có tác dụng tẩy tế bào chết có độ dày trên 100 micron, giúp giảm 5–10 tỷ lệ tổn thất thành hàng năm so với 316.

Những thay đổi về thiết kế để giảm hiện tượng bong tróc ở-vỏ bọc có thành dày
Khi vỏ bọc 316 2,5 mm phải chạy gần hoặc cao hơn giới hạn cho phép, ba thay đổi về thiết kế có thể làm giảm hiện tượng bong tróc mà không làm thay đổi vật liệu vỏ bọc. Đầu tiên là, tốc độ làm mát được quy định. Làm mát từ nhiệt độ cao nhất đến môi trường xung quanh ở tốc độ dưới 50°C mỗi giờ sẽ giảm thiểu sốc nhiệt và tạo ra các mảnh vỡ nhỏ hơn, ít phá hủy hơn. Sự thay đổi thứ hai là-oxy hóa trước bề mặt vỏ bọc trước khi vận hành theo chu kỳ. Chạy máy sưởi ở nhiệt độ tối đa liên tục trong 500–1.000 giờ sẽ tạo ra lớp oxit dày hơn, ổn định hơn và ít có khả năng tẩy tế bào chết thường xuyên hơn. Thay đổi thứ ba là giữ nhiệt độ ở chế độ chờ tối thiểu ở mức 300°C, thay vì giảm xuống nhiệt độ môi trường xung quanh. Điều này làm giảm sự căng thẳng do nhiệt trong mỗi chu kỳ tới 40-60%, do đó làm tăng đáng kể số lượng chu kỳ giữa các lần tẩy da chết. Đối với hầu hết các ứng dụng bộ quá nhiệt bằng hơi nước, vỏ bọc 316 2,5 mm có thể chấp nhận được ở nhiệt độ cao nhất lên tới 680°C với tần số chu kỳ có thể chấp nhận được. Ngoài 700 độ, các kỹ sư phải chấp nhận tuổi thọ sử dụng từ 2–4 năm hoặc nâng cấp lên Incoloy 800H. Chênh lệch chi phí giữa 316 và Incoloy 800H đối với bộ quá nhiệt thường là 30-50%, nhưng tuổi thọ tăng lên và khả năng tắc nghẽn oxit trong thiết bị hạ nguồn thấp hơn khiến việc nâng cấp trở nên đáng giá. Khi chỉ định bộ gia nhiệt để vận hành hơi nước theo chu kỳ, hãy luôn đề cập đến nhiệt độ vỏ bọc cao nhất được dự đoán, tần suất chu kỳ và tuổi thọ mong muốn. Một nhà sản xuất khuyến nghị 316 cho nhiệm vụ 750°C mà không đề cập đến hiện tượng bong tróc lớp oxit và mất đi thành sơn sẽ không đưa ra lời khuyên kỹ thuật đầy đủ. Quá trình bong tróc oxy hóa bằng hơi nước tạo ra sự mất đi độ bền vững của thành và có thể dự đoán được, nhưng điều này cần phải được tính đến khi tính toán tuổi thọ sử dụng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các vỏ bọc có thành dày, nơi mà quá trình tẩy da chết sẽ loại bỏ nhiều kim loại hơn trong mỗi trường hợp do lớp oxit dày hơn được hình thành ở nhiệt độ cao hơn.