Ar Pa Drothwy Tymheredd Arwyneb Y Mae'r Haen Ocsid ar 316 o Diwbiau Gwresogi Dur Di-staen yn Pontio o Amddiffynnol i Dringo-Teneuo Wal Wedi'i Anwytho

Terfynau Sefydlogrwydd Mecanyddol Strwythur Duplex Ocsid

Ar gyfer tiwbiau gwresogi trydan wedi'u lapio mewn 316 o ddur di-staen a'u defnyddio mewn aer, nwyon hylosgi neu stêm wedi'i gynhesu'n ormodol, mae'r haen ocsid a ffurfiwyd ar yr wyneb allanol yn amddiffynnol i ddechrau - yn gweithredu fel rhwystr trylediad i arafu ocsidiad pellach. Fodd bynnag, uwchlaw tymheredd arwyneb trothwy, mae'r adeiledd ocsid yn newid o raddfa gromiwm denau, ymlynol, gyfoethog i raddfa drwchus, amlhaenog, gyfoethog o haearn sy'n asglodi'n aml. Mae pob digwyddiad asglodi yn tynnu nid yn unig yr ocsid ond ychydig o'r metel sylfaen gwaelodol hefyd, gan arwain at deneuo waliau cynyddol a thyllu yn y pen draw. Nid yw'r terfyn tymheredd hwn yn werth cyson ond mae'n dibynnu ar gemeg aloi, amlder cylchred thermol a gwasgedd rhannol ocsigen. Mae'r papur hwn yn cyfrifo tymereddau trawsnewid ocsid ar gyfer 316 o wainau gwresogydd dur di-staen, yn darparu fframwaith ar gyfer rhagfynegi cyfraddau colli waliau a achosir gan adlamu, ac yn gosod y tymheredd arwyneb parhaus uchaf ar gyfer gwasanaeth awyr hirdymor.

Y Ddwy Gyfundrefn Ocsidiad o 316 o Ddur Di-staen

Ar dymheredd arwyneb mewn aer o dan tua 700-750 gradd , mae 316 o ddur di-staen yn datblygu haen denau (1-5 µm), di-dor o gromiwm ocsid (Cr₂O₃) gyda mân lefelau o haearn-spiel cromiwm. Mae'r raddfa hon yn codi'n barabolaidd gydag amser hy mae'r gyfradd ocsidiad yn lleihau wrth i'r raddfa ddod yn fwy trwchus oherwydd bod trylediad cromiwm trwy'r ocsid presennol yn cyfyngu ar gyfradd. Mae'r raddfa yn ymlynol, gyda chyfernod ehangu thermol heb fod ymhell o fod y metel sylfaen (∼10−12 × 10⁻⁶ / gradd yn erbyn 17 × 10−⁶ / gradd ar gyfer 316), ac yn gyffredinol yn asglodi dim ond o dan sioc thermol eithafol. Ar dymheredd uwchlaw tua 750-800 gradd mae'r cromiwm ocsid amddiffynnol yn mynd yn llai sefydlog yn thermodynamig o ran ocsidau haearn. Mae'r raddfa'n ffurfio adeiledd deublyg gyda haen allanol o haematit (Fe 2 O 3 ) a magnetit (Fe 3 O 4 ) a haen fewnol o asgwrn cefn cromiwm haearn (FeCr 2 O 4 ) gyda chromiwm ocsid. Mae trylediad ocsigen trwy'r strwythur ocsid haearn mandyllog yn gyflym, felly mae'r ocsidau haearn allanol yn ehangu'n llinol gydag amser. Yn bwysicach fyth, mae cyfernod ehangu thermol Fe₂O₃ tua 15 × 10⁻⁶ / gradd, ac mae Fe₃O₄ yn ehangu ar 12-14×10⁻⁶ / gradd . Mae'r diffyg cyfatebiaeth â'r swbstrad 316 (17 × 10-6 / gradd) yn dal i fod yn gymedrol, ond mae'r straen sydd wedi'i gynnwys o ehangu cyfaint y trawsnewidiad metel-i-ocsid (cymhareb Pilling-Bedworth ar gyfer haearn yn 2.1, hy mae'r ocsid yn cymryd mwy o gyfaint na'r metel sy'n cael ei fwyta) yn achosi straen cywasgol yn ystod y cylchrediad cryfder thermol sy'n cynyddu. Unwaith y bydd y cromiwm ocsid amddiffynnol wedi torri, mae ocsidiad yn cyflymu'n ddramatig - o gysonyn cyfradd parabolig o tua 10⁻¹² g²/cm⁴·s ar 700 gradd i 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s ar 850 gradd , cynnydd o ddau orchymyn maint.

Tymheredd trothwy asglodi a'i ddibyniaeth ar feicio thermol

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, traean o drwch y wal. Hyd yn oed ar amodau isothermol ac ar dymheredd arwyneb o 850 gradd, mae tyfiant ocsid cyflym (10-20 µm fesul 1,000 awr) ac asgliad digymell aml yn digwydd oherwydd bod y tensiynau oherwydd twf yn unig yn fwy na'r terfyn adlyniad. Ar gyfer gwasanaeth awyr, y terfyn ymarferol ar gyfer-dibynadwyedd gwresogyddion tymor hir yw 650 gradd o weithrediad parhaus os yw teneuo waliau a achosir gan asglodi i'w gadw o dan 10 µm y flwyddyn. Pan fydd tymheredd arwyneb yn uwch na 650 gradd, dylid ystyried y gwresogydd yn un y gellir ei ddefnyddio gyda chyfnod ailosod a bennwyd ymlaen llaw. Crynhoir isod yr ymddygiad ocsideiddio a asglodi ar draws yr ystod weithredu arferol o 316 o wresogyddion aer wedi'u gorchuddio.

Arwyneb Gwain Tymheredd (gradd ) Ocsid Dominyddol Math Ocsidiad Ocsidiad Cineteg A Spalling Onset (cylchoedd i'r asgliad cyntaf) Cyfradd Colli Metel (µm fesul 10,000 awr)Uchafswm. Bywyd Gwasanaeth a Argymhellir (wal 1.5mm)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10,000 o gylchoedd<5 >30 mlynedd 550-650 Cr2O3 + lleiaf FeCr2O4 Parabolig 5,000-10,000 o gylchoedd5-20 15-30 o flynyddoedd
650-700 Cr2O3/Fe3O4 Trosiannol Cymysg 2000-5000 o gylchoedd 20-50 8-15 mlynedd 700-750 Duplex Fe3O4/Fe2O3 gyda haen fewnol Cr-gyfoethogLlinar-parabolig 500-2000 o gylchoedd- 500-2000 o flynyddoedd {050} o flynyddoedd {050} {050} o gylchredau {050} mlynedd {055} Fe3O4/Fe2O3, disbyddiad Cr Llinol 100-500 o gylchredau 150-400 1-3 mlynedd 800-850 Cyflym Fe ocsid, ocsidiad mewnolLlinellol<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Rôl Molybdenwm a Silicon yn yr Amrywiad yn y Tymheredd Trosiannol

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 >Bydd 650 gradd gan eu gwrthiant blinder thermol gwell ers 316 yn asglodi'n annerbyniol mewn ychydig fisoedd.

Asesiad o Ocsid A Spaling a Waliau Teneuo yn y Cae

Mae tri maes -arwyddion gweladwy o dymheredd arwyneb sy'n uwch na'r trothwy asglodi yn bodoli ar gyfer 316 o wresogyddion aer amgaeedig sy'n cael eu gwasanaethu ar hyn o bryd. 1. Mae naddion du neu frown tywyll yn bresennol ar lawr y lloc gwresogi neu arwynebau cyfagos. Mae'r naddion hyn yn fagnetit (Fe3O4) a gellir eu denu gyda magnet-diagnosteg syml. Mae'r ail yn edrych yn arw ac yn pitw ar wyneb y wain, yn enwedig os yw'r gorffeniad llyfn gwreiddiol wedi'i ddisodli gan wyneb gweadog neu gennog. Y trydydd, a'r arwydd mwyaf meintiol, yw gostyngiad o wrthwynebiad trydanol yr elfen wresogi a fesurir ar dymheredd yr ystafell. Wrth i wal wain deneuo trwy asglodi, gall diamedr gwifren gwrthiant mewnol hefyd ocsideiddio. Ond mae gostyngiad o 5-10% mewn ymwrthedd oer o'r fanyleb wreiddiol yn dangos colled sylweddol o fetel. Mae'r haen ocsid yn cael ei thynnu trwy ffrwydro graean ysgafn, a gellir mesur trwch wal y wain yn fanwl gywir gyda mesurydd trwch ultrasonic. Mae trwch wal o dan 0.8 mm ar wain enwol 1.5 mm yn golygu y dylid cynllunio ailosod yn ystod y 6-12 mis nesaf. Ar gyfer gwresogyddion lle nad yw tymheredd yr wyneb yn hysbys, mae'r thermocwl a roddir ar y wain yn ystod y llawdriniaeth yn cynnig data pendant. Rhag ofn bod y tymheredd a ganfyddir yn uwch na 700 gradd yn ystod mwy na 10% o'r oriau gweithredu, bydd yr asgliad ocsid yn gynyddol.

Strategaethau Dylunio Lleihau Tymheredd Gwain ar gyfer Gwasanaeth Awyr

Ar gyfer cymwysiadau sydd angen gwresogi aer uwchlaw 650 gradd ond lle mae cyfyngiadau prosiect yn cyfyngu ar y defnydd o 316 o wain, mae tri dull dylunio ar gael i ostwng y tymheredd arwyneb gwirioneddol ar gyfer allbwn pŵer penodol. Y ffordd gyntaf a hawsaf yw ehangu'r arwynebedd trwy ddefnyddio gwain diamedr hirach neu fwy, neu trwy ychwanegu esgyll. Ar gyfer watedd penodol, mae'r codiad tymheredd arwyneb dros amgylchynol yn gysylltiedig yn wrthdro â'r arwynebedd. Os dyblu'r hyd wedi'i gynhesu, caiff y cynnydd yn y tymheredd ei haneru. Yr ail dechneg yw cynyddu'r cyflymder aer dros y gwresogydd. Ar gyflymder aer isel (0.5-1.0 m/eiliad) y cyfernod trosglwyddo gwres yw 10-20 W/m2/K, sy'n arwain at dymheredd gwain uchel. Ar darfudiad gorfodol (cyflymder 5{-10 m/s), mae'r cyfernod yn cynyddu i 50-100 W/m2·K, gan ostwng tymheredd y wain 100-200 gradd ar yr un watedd. Y drydedd dechneg yw defnyddio llawer o wresogyddion wat is yn lle un gwresogydd wat uchel, sy'n lledaenu cyfanswm y pŵer dros ardal fwy ac yn lleihau'r tymheredd gwain brig. Ar gyfer pob cais gwresogi aer, mae tymheredd gwain uchaf o 650 gradd (wedi'i fesur neu ei gyfrifo) yn derfyn uchaf diogel ar gyfer gwasanaeth hirdymor o 316. Ar gyfer cymhwyso tymheredd uwch, mae angen uwchraddio'r safon i 310 o ddur di-staen neu Inconel.

Casgliad: Terfynau tymheredd arwyneb uchaf ar gyfer gwresogyddion aer math 316

Ar gyfer tiwbiau gwresogi trydan wedi'u lapio mewn 316 o ddur di-staen sy'n gweithredu mewn aer neu nwyon hylosgi, mae'r haen ocsid sy'n ffurfio ar yr wyneb yn newid o amddiffynnol i asglodi tua 700-750 gradd yn barhaus, ond ar dymheredd sylweddol is o dan amodau beicio thermol. Ar gyfer dibynadwyedd hirdymor (5+ mlynedd) dylid cyfyngu'r tymheredd gwain parhaus uchaf i 650 gradd . Ar gyfer gwasanaeth ysbeidiol gyda chylchoedd dyddiol, mae'r terfyn yn cael ei ostwng i 600 gradd i leihau'r difrod cronnus o asglodi. Os yw 316 o wresogyddion caeedig i'w defnyddio mewn unrhyw awyrgylch nwyol lle gall tymheredd arwyneb yr elfen fod yn uwch na 650 gradd, rhaid atal y watedd i ostwng y tymheredd, cynyddodd y llif aer trwy orfodi oeri darfudiad, neu ddefnyddio aloi tymheredd uwch. Yn y gwaith hwn, cyflwynir fframwaith sy'n cysylltu tymheredd gwain â chyfraddau asglodi ocsid a rhagfynegiadau o deneuo waliau, gan alluogi prynwyr i ddewis tymereddau gweithredu uchaf sy'n atal y newid o raddfa amddiffynnol i asglodi dinistriol, ac felly'n osgoi'r golled wal gynyddol sy'n arwain at drydylliad gwain cynamserol.