Pri kateri specifični kombinaciji frekvence termičnega cikla in najvišje temperature 1,0-milimetrski plašč iz nerjavečega jekla 316 razvije oksidno lomljenje, ki pospeši enakomerno tanjšanje sten pri cikličnem ogrevanju zraka?

Za inženirje, ki izdelujejo električne potopne grelnike za industrijske pečice, grelnike zračnih kanalov in toplotno ciklične komore, je proizvodnja in lomljenje oksidnega kamna na površini ovoja iz nerjavečega jekla 316 progresiven, a predvidljiv mehanizem tanjšanja sten. Kjer luknjičasta ali aktivna korozija povzroči lokalizirano okvaro, razpadanje oksida spodbuja homogeno izgubo materiala po celotni ogrevani površini. Vsak toplotni cikel nanese majhno plast oksida, bogatega s kromom. Sčasoma bo oksidna plast postala predebela in bo odpadla. To je zato, ker ima oksidna plast drugačno toplotno raztezanje kot kovina, oksidna plast pa poči in se lušči, pri čemer je sveža kovina izpostavljena oksidaciji. Ta postopek je še posebej dovzeten za plašč z debelino stene 1,0 mm, saj lahko majhno enakomerno stanjšanje znatno zmanjša strukturno celovitost. Ta članek določa natančne pogoje frekvence toplotnega cikla in najvišjo temperaturo, pri kateri se razpadanje oksida pospeši do te mere, da se življenjska doba plašča skrajša na nesprejemljive ravni za industrijsko delovanje.

Kinetika rasti in lomljenja oksida na nerjavnem jeklu 316L
Kinetika oksidacije nerjavečega jekla 316 na zraku sledi paraboličnemu zakonu: debelina oksida narašča s kvadratnim korenom časa pri temperaturi. Pri 600 °C je debelina oksida približno 2 mikrona po 100 urah in približno 5 mikronov po 1000 urah. Enake debeline so dosežene po 20 h oziroma 200 h pri 700 °C. Pri 800 °C je oksid 5 mikronov v 50 urah. Kritična debelina oksida za lomljenje med toplotnim ciklom je funkcija temperaturne razlike na cikel. Pri temperaturnem nihanju 500 °C (recimo 200 °C do 700 °C) začne prihajati do lomljenja, ko je debelina oksida približno 3–4 mikrone. Pri nihanju 700 °C (npr. od 100 °C do 800 °C) se lomljenje začne pri 2-3 mikronih. Vsak dogodek razpadanja odstrani 1–3 mikrone kovine s površine plašča, saj oksidna plast vsebuje kovino iz podlage. 1,0 mm ovoj, izpostavljen 100 razpadom, lahko izgubi 0,1–0,3 mm debeline stene, kar ustreza 10–30 % njegovega začetnega materiala. Pri ciklični uporabi s spalacijo v 100–500 ciklih lahko 1,0 mm ovoj doseže minimalno strukturno debelino (0,5 mm) po 500–2000 ciklih, tj. 1-5 letih delovanja pri enem ciklu na dan.

Kritični pragovi za pospešeno lomljenje v ovoju debeline 1,0 milimetra. Kontrolirano testiranje v peči 1,0 mm vzorcev ovoja 316 pri nastavitvah cikličnega ogrevanja zraka identificira določene pragove, pri katerih se lomljenje pospeši do nesprejemljivih stopenj. Nesprejemljivo: stalno tanjšanje stene > 0,05 mm na 1000 ciklov. (To bi znižalo ovoj 1,0 mm na 0,7 mm po 6000 ciklih, kar je približno 5 let pri 3 ciklih na dan).

Najvišji cikel Temperatura Nihanje temperature na cikel cikla do prve debeline oksida spalacije pri tanjšanju stene spalacije na cikel dogodka spalacije na 0,7 mm preostale stene (30 % izgube) 500 stopinj 400 stopinj (100 stopinj do 500 stopinj) 2.000 – 3,000 5 – 6 mikronov 1 – 2 mikronov 15.000 – 30,{16}} stopinj 500 stopinj (100 stopinj do 600 stopinj) 500 – 800 4 – 5 mikronov 2 – 3 mikronov 3.000 – 6,000 650 stopinj 550 stopinj (100 stopinj do 650 stopinj) 200 – 400 3 – 4 mikronov 2 – 4 mikronov 1500 – 3,000 700 stopinj 600 stopinj (100 stopinj do 700 stopinj) 100 – 200 3 – 4 mikronov 3 – 5 mikronov 800 – 1,500 750 stopinj 650 stopinj (100 stopinj do 750 stopinj) 50 – 100 2 – 3 mikronov 4 – 6 mikronov 400 – 800 800 stopinja 700 stopinj (100 stopinj do 800 stopinj) 20 – 50 2 – 3 mikroni 5 – 8 mikronov 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 >Nihanje za 300 stopinj. Nad tem pragom 1,0 mm ovoj izgublja material hitreje, kot pričakuje večina industrijskih uporabnikov.

1,0 mm varna delovna ovojnica v cikličnem zračnem prometu
Varen delovni ovoj za 1,0 mm 316 ovoj za ciklično ogrevanje zraka je podan v spodnji tabeli. Osnova je dopustno tanjšanje stene manj kot 0,03 mm na 1000 ciklov (0,1 mm na vsakih 3000 ciklov ali približno 10 % izgube v 5 letih pri 2 ciklih na dan).

Najvišja temperatura površine plašča Maks. Priporočeno število ciklov na dan Maks. Priporočeno skupno število ciklov v življenjski dobi Pričakovano tanjšanje sten po maks. Cikli Priporočeno ukrepanje onkraj teh omejitev
Do 500 °C 10 50,000 Pod 0,05 mm 316 sprejemljivo; katera koli frekvenca cikla 500 – 550 °C 5 25,000 0.05 – 0,10 mm Sprejemljivo za večino industrijskih storitev
550 – 600°C 3 15,000 0.10 – 0,15 mm Redno spremljajte debelino stene 600 – 650°C 2 10,000 0.15 – 0,25 mm Razmislite o Incoloy 800H za daljšo življenjsko dobo 650 – 700°C 1 5,000 0.20 – 0,35 mm 316 rob; priporočena nadgradnja 700 – 750 °C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 mm 316 ni priporočljivo
>750 °C Ni priporočljivo Ni primerno Keramični grelec s hitrim razpadanjem ali Incoloy 800H
Incoloy 800H nudi večjo odpornost proti oksidaciji, kjer aplikacije zahtevajo najvišje temperature plašča, ki presegajo 650 °C in več kot 2 cikla na dan. Zlitina ustvari počasneje razvijajoč se, bolj oprijemljiv oksid, ki razpada pri veliko večjih debelinah (10–15 mikronov) in temperaturah (nad 850 °C). na primer, 1,0 mm plašč Incoloy 800H pri 750 °C s 5 cikli/dan bo podvržen stanjšanju stene<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Spremembe zasnove za zmanjšanje lomljenja v tankostenskih ovojih-
Tri konstrukcijske spremembe lahko zmanjšajo stopnje lomljenja, ko je treba 1,0 mm ovoj iz 316 uporabljati v cikličnem zračnem obratovanju blizu ali preko priporočenih meja. Prva je uporaba pred-obdelave z oksidacijo. Delovanje grelnika pri najvišji temperaturi 100–200 ur pred cikličnim delovanjem vodi do debelejšega, bolj lepljivega oksida, za katerega je manjša verjetnost, da se bo zlomil kot tanek oksid, ki nastane med zgodnjimi cikli. Druga sprememba je upočasnitev hitrosti hlajenja. Hitro ohlajanje s 700 stopinj na sobno temperaturo povzroči toplotni šok in lomljenje. Ne uporabljajte prisilnega zračnega hlajenja. Z naravnim hlajenjem v mirujočem zraku se lomljenje zmanjša za 30–50 %. Končna sprememba je poliranje površine plašča do zrcalnega sijaja manj kot 0,2 mikrona Ra. Gladke površine povzročijo fino{17}}zrnate okside, ki so bolj oprijemljivi kot oksidi, razviti na grobih, kot-nabrušenih površinah. Stopnje lomljenja elektropoliranih plaščev 316 so 40-60 % nižje kot pri zmečkanih plaščih v enakih okoliščinah cikla. Za večino industrijskih aplikacij ogrevanja zraka pod 650 °C najvišje vrednosti 1,0 mm 316 plašč predstavlja zadovoljivo življenjsko dobo 5–10 let z dopustnimi frekvencami ciklov. Nad 650 °C je treba sprejeti krajšo življenjsko dobo ali zmanjšati frekvenco ciklov ali uporabiti zlitino, ki je bolj odporna na oksidacijo. Pri določanju grelnikov za ciklični servis zraka vedno navedite predvideno najvišjo temperaturo plašča, frekvenco cikla in načrtovano življenjsko dobo. Proizvajalec, ki predlaga 316 za storitev 750C, ne da bi omenil lomljenje in tanjšanje sten, ne daje popolnih inženirskih nasvetov. Enakomerna izguba debeline stene zaradi lomljenja oksida je predvidljiva in nadzorovana, vendar jo je treba upoštevati pri napovedih življenjske dobe, zlasti za tankostenske ovoje, kjer šteje vsak mikron izgubljenega materiala.