Ở ngưỡng nhiệt độ bề mặt nào thì lớp oxit trên ống sưởi bằng thép không gỉ 316 chuyển từ bảo vệ sang nứt vỡ-Gây ra hiện tượng làm mỏng tường

Giới hạn của độ ổn định cơ học của cấu trúc oxit kép

Đối với các ống sưởi điện được bọc bằng thép không gỉ 316 và sử dụng trong không khí, khí đốt hoặc hơi nước quá nhiệt, lớp oxit hình thành trên bề mặt bên ngoài ban đầu có tác dụng bảo vệ-đóng vai trò như một rào cản khuếch tán để làm chậm quá trình oxy hóa hơn nữa. Tuy nhiên, trên nhiệt độ bề mặt ngưỡng, cấu trúc oxit thay đổi từ vảy mỏng, bám dính, giàu crom-sang vảy dày, nhiều lớp, giàu sắt-và thường xuyên bị bong ra. Mỗi sự kiện va đập sẽ loại bỏ không chỉ oxit mà còn một ít kim loại cơ bản bên dưới, dẫn đến thành mỏng dần và cuối cùng là thủng. Giới hạn nhiệt độ này không phải là giá trị không đổi mà phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim, tần số chu trình nhiệt và áp suất riêng phần của oxy. Bài viết này tính toán nhiệt độ chuyển tiếp oxit cho vỏ bọc bộ gia nhiệt bằng thép không gỉ 316, cung cấp cơ sở dự đoán tỷ lệ tổn thất do nứt vỡ gây ra trên thành và đặt nhiệt độ bề mặt liên tục tối đa cho dịch vụ hàng không trong thời gian dài.

Hai chế độ oxy hóa của thép không gỉ 316

Ở nhiệt độ bề mặt trong không khí dưới khoảng 700-750 độ , thép không gỉ 316 tạo ra một lớp oxit crom (Cr₂O₃) mỏng (1-5 µm) liên tục với hàm lượng nhỏ sắt-crom Spinel. Thang đo này tăng theo đường parabol theo thời gian, tức là tốc độ oxy hóa giảm khi thang đo trở nên dày hơn do sự khuếch tán crom qua oxit hiện có trở nên hạn chế tốc độ. Thang đo bám dính, có hệ số giãn nở nhiệt không xa hệ số giãn nở nhiệt của kim loại cơ bản (∼10−12 × 10⁻⁶ / độ so với 17 × 10−⁶ / độ đối với 316) và thường chỉ bị vỡ khi bị sốc nhiệt cực độ. Ở nhiệt độ trên khoảng 750-800 độ, oxit crom bảo vệ trở nên kém ổn định về mặt nhiệt động so với oxit sắt. Lớp vảy tạo thành một cấu trúc song công với lớp ngoài gồm haematit (Fe 2 O 3 ) và magnetit (Fe 3 O 4 ) và lớp bên trong là sắt-crom Spinel (FeCr 2 O 4 ) với crom oxit. Sự khuếch tán oxy qua cấu trúc oxit sắt xốp diễn ra nhanh chóng, do đó các oxit sắt bên ngoài giãn nở tuyến tính theo thời gian. Quan trọng hơn, hệ số giãn nở nhiệt của Fe₂O₃ là khoảng 15×10⁻⁶/độ, và Fe₃O₄ giãn nở ở mức 12-14×10⁻⁶/độ. Sự không phù hợp với chất nền 316 (17 × 10-6 / độ ) vẫn ở mức vừa phải, nhưng ứng suất tích hợp từ sự giãn nở thể tích của quá trình chuyển đổi kim loại thành oxit (tỷ lệ Pilling-Bedworth đối với sắt là 2,1, tức là oxit chiếm nhiều thể tích hơn kim loại được tiêu thụ) gây ra ứng suất nén ở thang vượt quá cường độ bám dính trong chu trình nhiệt. Khi lớp oxit crom bảo vệ bị phá vỡ, quá trình oxy hóa tăng tốc đáng kể - từ hằng số tốc độ parabol khoảng 10⁻¹² g²/cm⁴·s ở 700 độ đến 10⁻¹⁰ g2/cm⁴·s ở 850 độ, tăng gấp hai bậc độ lớn.

Nhiệt độ ngưỡng nứt vỡ và sự phụ thuộc của nó vào chu trình nhiệt

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, một phần ba độ dày của tường. Ngay cả ở điều kiện đẳng nhiệt và ở nhiệt độ bề mặt 850 độ, sự phát triển oxit nhanh (10-20 µm trên 1.000 giờ) và sự nứt vỡ tự phát thường xuyên xảy ra do sức căng do riêng sự phát triển vượt quá giới hạn bám dính. Đối với dịch vụ hàng không, giới hạn thực tế cho độ tin cậy lâu dài của lò sưởi-là hoạt động liên tục ở mức 650 độ nếu độ mỏng của thành do nứt vỡ được duy trì ở mức dưới 10 µm mỗi năm. Khi nhiệt độ bề mặt trên 650 độ, lò sưởi phải được coi là vật tư tiêu hao với thời gian thay thế được xác định trước. Hành vi oxy hóa và nứt vỡ trong phạm vi hoạt động bình thường của máy sưởi không khí có vỏ bọc 316 được tóm tắt dưới đây.

Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc (độ) Loại oxit chiếm ưu thế Động học oxy hóa Khởi phát nứt vỡ (chu kỳ đến lần vỡ vụn đầu tiên) Tỷ lệ hao hụt kim loại (µm trên 10.000 giờ)Tối đa. Tuổi thọ sử dụng đề xuất (tường 1,5 mm)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10.000 chu kỳ<5 >30 năm 550-650 Cr2O3 + FeCr2O4 Parabol nhỏ 5.000-10.000 chu kỳ5-20 15-30 năm
650-700 Hỗn hợp Cr2O3/Fe3O4 Chuyển tiếp 2000-5000 chu kỳ 20-50 8-15 năm 700-750 Fe3O4/Fe2O3 song công với lớp bên trong giàu CrParabolic tuyến tính 500-2000 chu kỳ 50-150 3-8 năm 750-800 Fe3O4/Fe2O3 dày, Cr cạn kiệt Tuyến tính 100-500 chu kỳ 150-400 1-3 năm 800-850 Oxit Fe nhanh, quá trình oxy hóa bên trongTuyến tính<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Vai trò của Molypden và Silicon trong sự biến đổi của nhiệt độ chuyển tiếp

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 độ nhờ khả năng chống mỏi nhiệt tốt hơn vì 316 sẽ bị nứt đến mức không thể chấp nhận được trong vài tháng.

Đánh giá hiện tượng nứt vỡ oxit và độ mỏng của tường tại hiện trường

Ba-dấu hiệu có thể quan sát được tại hiện trường về nhiệt độ bề mặt vượt quá ngưỡng nứt vỡ tồn tại đối với 316 máy sưởi không khí có vỏ bọc hiện đang hoạt động. 1. Có các vảy màu đen hoặc nâu sẫm xuất hiện trên sàn của vỏ máy sưởi hoặc các bề mặt liền kề. Những mảnh này là từ tính (Fe3O4) và có thể bị hút bằng nam châm-một chẩn đoán đơn giản. Thứ hai là bề mặt vỏ có vẻ thô ráp, rỗ, đặc biệt nếu lớp hoàn thiện mịn ban đầu đã được thay thế bằng bề mặt có họa tiết hoặc có vảy. Dấu hiệu thứ ba và cũng là dấu hiệu định lượng nhất là sự sụt giảm điện trở của bộ phận làm nóng được đo ở nhiệt độ phòng. Khi thành vỏ bọc mỏng đi do nứt vỡ, đường kính dây điện trở trong cũng có thể bị oxy hóa. Tuy nhiên, khả năng chịu lạnh giảm 5-10% so với thông số kỹ thuật ban đầu cho thấy sự hao hụt kim loại đáng kể. Lớp oxit được loại bỏ bằng cách phun cát nhẹ nhàng và độ dày thành vỏ bọc có thể được đo chính xác bằng máy đo độ dày siêu âm. Độ dày thành dưới 0,8 mm trên vỏ bọc danh nghĩa 1,5 mm có nghĩa là nên lên kế hoạch thay thế trong 6-12 tháng tới. Đối với các máy sưởi không biết nhiệt độ bề mặt, cặp nhiệt điện áp vào vỏ bọc trong quá trình vận hành sẽ cung cấp dữ liệu thuyết phục. Trong trường hợp nhiệt độ được phát hiện là trên 700 độ trong hơn 10% số giờ hoạt động, sự nứt vỡ oxit sẽ tăng dần.

Chiến lược thiết kế giảm nhiệt độ vỏ bọc cho dịch vụ hàng không

Đối với các ứng dụng yêu cầu làm nóng không khí trên 650 độ nhưng khi dự án hạn chế sử dụng 316 vỏ bọc, có ba phương pháp thiết kế để giảm nhiệt độ bề mặt thực tế cho công suất đầu ra nhất định. Cách đầu tiên và dễ dàng nhất là mở rộng diện tích bề mặt bằng cách sử dụng các vỏ bọc có đường kính dài hơn hoặc lớn hơn hoặc bằng cách thêm các vây. Đối với một công suất nhất định, độ tăng nhiệt độ bề mặt so với môi trường xung quanh có quan hệ nghịch với diện tích bề mặt. Nếu chiều dài bị đốt nóng tăng gấp đôi thì độ tăng nhiệt độ giảm đi một nửa. Kỹ thuật thứ hai là tăng tốc độ không khí qua lò sưởi. Ở vận tốc không khí thấp (0,5-1,0 m/giây), hệ số truyền nhiệt là 10-20 W/m2/K, dẫn đến nhiệt độ vỏ bọc cao. Ở đối lưu cưỡng bức (tốc độ 5{20}}10 m/s), hệ số tăng lên 50-100 W/m2·K, hạ nhiệt độ vỏ bọc xuống 100-200 độ ở cùng công suất. Kỹ thuật thứ ba là sử dụng nhiều lò sưởi có công suất thấp hơn thay vì một lò sưởi có công suất cao duy nhất, giúp phân tán tổng công suất trên một diện tích lớn hơn và giảm nhiệt độ vỏ bọc cao nhất. Đối với tất cả các ứng dụng sưởi ấm không khí, nhiệt độ vỏ bọc tối đa 650 độ (được đo hoặc tính toán) là giới hạn trên an toàn để sử dụng lâu dài là 316. Đối với ứng dụng nhiệt độ cao hơn, tiêu chuẩn cần được nâng cấp lên thép không gỉ 310 hoặc Inconel.

Kết luận: Giới hạn nhiệt độ bề mặt tối đa đối với thiết bị sưởi không khí loại 316

Đối với các ống sưởi điện được bọc bằng thép không gỉ 316 hoạt động trong không khí hoặc khí đốt, lớp oxit hình thành trên bề mặt chuyển từ trạng thái bảo vệ sang nứt vỡ ở nhiệt độ liên tục khoảng 700-750 độ, nhưng ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể trong điều kiện chu trình nhiệt. Để có độ tin cậy lâu dài (5+ năm), nhiệt độ vỏ bọc liên tục tối đa phải được giới hạn ở mức 650 độ. Đối với dịch vụ không liên tục với chu kỳ hàng ngày, giới hạn được giảm xuống 600 độ để giảm thiểu thiệt hại do va đập tích lũy. Nếu sử dụng lò sưởi có vỏ bọc 316 trong bất kỳ môi trường khí nào mà nhiệt độ bề mặt phần tử có thể vượt quá 650 độ, công suất phải được giảm để giảm nhiệt độ, lưu lượng không khí tăng lên để làm mát đối lưu cưỡng bức hoặc sử dụng hợp kim có nhiệt độ cao hơn. Trong nghiên cứu này, một khuôn khổ được trình bày liên kết nhiệt độ vỏ bọc với tốc độ nứt vỡ oxit và dự đoán độ mỏng của thành, cho phép người mua chọn nhiệt độ vận hành tối đa để ngăn chặn sự chuyển đổi từ quy mô bảo vệ sang nứt vỡ mang tính phá hủy và do đó tránh được hiện tượng mất thành lũy tiến dẫn đến thủng vỏ bọc sớm.