316 स्टेनलेस स्टील हीटिंग ट्यूबों पर किस सतह के तापमान सीमा पर ऑक्साइड परत सुरक्षात्मक से स्पैलिंग में परिवर्तित हो जाती है -प्रेरित दीवार का पतला होना

डुप्लेक्स ऑक्साइड संरचना यांत्रिक स्थिरता की सीमाएं

316 स्टेनलेस स्टील में लपेटे गए और हवा, दहन गैसों या अत्यधिक गर्म भाप में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूबों के लिए, बाहरी सतह पर बनी ऑक्साइड परत शुरू में सुरक्षात्मक होती है, जो आगे ऑक्सीकरण को धीमा करने के लिए एक प्रसार अवरोधक के रूप में कार्य करती है। हालाँकि, एक सीमा सतह के तापमान से ऊपर, ऑक्साइड संरचना एक पतले, चिपकने वाले, क्रोमियम समृद्ध पैमाने से मोटे, बहुस्तरीय, लौह समृद्ध पैमाने में बदल जाती है जो अक्सर फैलती है। प्रत्येक स्पैलिंग घटना न केवल ऑक्साइड को बल्कि अंतर्निहित आधार धातु को भी हटा देती है, जिससे दीवार धीरे-धीरे पतली हो जाती है और अंततः छिद्रित हो जाती है। यह तापमान सीमा एक स्थिर मान नहीं है बल्कि मिश्र धातु रसायन विज्ञान, थर्मल चक्र आवृत्ति और ऑक्सीजन आंशिक दबाव पर निर्भर है। यह पेपर 316 स्टेनलेस स्टील हीटर शीथ के लिए ऑक्साइड संक्रमण तापमान की गणना करता है, दीवार के टूटने की दर की भविष्यवाणी के लिए एक रूपरेखा प्रदान करता है, और दीर्घकालिक वायु सेवा के लिए अधिकतम निरंतर सतह तापमान निर्धारित करता है।

316 स्टेनलेस स्टील की दो ऑक्सीकरण व्यवस्थाएँ

हवा में सतह के तापमान लगभग 700 से 750 डिग्री से कम होने पर, 316 स्टेनलेस स्टील में क्रोमियम ऑक्साइड (Cr₂O₃) की एक पतली (1 से 21 इंच 5 µm) परत बन जाती है, जिसमें आयरन की मात्रा कम होती है। यह पैमाना समय के साथ परवलयिक रूप से बढ़ता है यानी जैसे-जैसे स्केल मोटा होता जाता है ऑक्सीकरण दर कम हो जाती है क्योंकि मौजूदा ऑक्साइड के माध्यम से क्रोमियम का प्रसार दर सीमित हो जाता है। पैमाना सुसंगत है, थर्मल विस्तार गुणांक आधार धातु (∼10−12 × 10⁻⁶ / डिग्री बनाम 17 × 10−⁶ / 316 के लिए डिग्री) से अधिक दूर नहीं है, और आम तौर पर केवल अत्यधिक थर्मल झटके के तहत फैलता है। लगभग 750{35}}800 डिग्री से ऊपर के तापमान पर सुरक्षात्मक क्रोमियम ऑक्साइड आयरन ऑक्साइड के संबंध में थर्मोडायनामिक रूप से कम स्थिर हो जाता है। स्केल हेमेटाइट (Fe 2 O 3) और मैग्नेटाइट (Fe 3 O 4) की बाहरी परत और क्रोमियम ऑक्साइड के साथ आयरन क्रोमियम स्पिनल (FeCr 2 O 4) की एक आंतरिक परत के साथ एक द्वैध संरचना बनाता है। छिद्रपूर्ण आयरन ऑक्साइड संरचना के माध्यम से ऑक्सीजन का प्रसार त्वरित होता है, इसलिए बाहरी आयरन ऑक्साइड समय के साथ रैखिक रूप से विस्तारित होते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि Fe₂O₃ का थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 15×10⁻⁶ / डिग्री है, और Fe₃O₄ 12-14×10⁻⁶ / डिग्री पर फैलता है। 316 सब्सट्रेट (17 × 10-6 / डिग्री) के साथ बेमेल अभी भी मध्यम है, लेकिन धातु-से-ऑक्साइड रूपांतरण (लोहे के लिए पिलिंग-बेडवर्थ अनुपात 2.1 है, यानी ऑक्साइड उपभोग की जाने वाली धातु की तुलना में अधिक मात्रा लेता है) के मात्रा विस्तार से निर्मित तनाव पैमाने में संपीड़न तनाव उत्पन्न करता है जो थर्मल साइक्लिंग के दौरान आसंजन ताकत से अधिक होता है। एक बार जब सुरक्षात्मक क्रोमियम ऑक्साइड टूट जाता है, तो ऑक्सीकरण नाटकीय रूप से तेज हो जाता है - 700 डिग्री पर लगभग 10⁻¹² g²/cm⁴·s के परवलयिक दर स्थिरांक से 850 डिग्री पर 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s तक, परिमाण के दो आदेशों की वृद्धि।

स्पैलिंग थ्रेशोल्ड तापमान और थर्मल साइकलिंग पर इसकी निर्भरता

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, दीवार की मोटाई का एक तिहाई। इज़ोटेर्मल स्थितियों और 850 डिग्री के सतही तापमान पर भी, तेजी से ऑक्साइड वृद्धि (प्रति 1,000 घंटे में 10-20 µm) और बार-बार स्वतःस्फूर्त स्पेलिंग होती है क्योंकि अकेले वृद्धि के कारण तनाव आसंजन की सीमा से अधिक हो जाता है। हवाई सेवा के लिए दीर्घकालिक हीटर निर्भरता की व्यावहारिक सीमा निरंतर संचालन की 650 डिग्री है, यदि स्पैलिंग-प्रेरित दीवार के पतलेपन को प्रति वर्ष 10 µm से कम रखा जाना है। जहां सतह का तापमान 650 डिग्री से ऊपर है, हीटर को पूर्व निर्धारित प्रतिस्थापन अवधि के साथ उपभोज्य माना जाना चाहिए। 316 शीथेड एयर हीटरों की सामान्य ऑपरेटिंग रेंज में ऑक्सीकरण और स्पैलिंग व्यवहार को नीचे संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है।

शीथ सतह तापमान (डिग्री) प्रमुख ऑक्साइड प्रकार ऑक्सीकरण कैनेटीक्स स्पैलिंग शुरुआत (पहले स्पैल तक चक्र) धातु हानि दर (µm प्रति 10,000 घंटे) अधिकतम। अनुशंसित सेवा जीवन (1.5 मिमी दीवार)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10,000 चक्र<5 >30 वर्ष 550-650 Cr2O3 + लघु FeCr2O4 परवलयिक 5,000-10,000 चक्र5-20 15-30 वर्ष
650-700 मिश्रित Cr2O3/Fe3O4 संक्रमणकालीन 2000-5000 चक्र 20-50 8-15 वर्ष 700-750 डुप्लेक्स Fe3O4/Fe2O3 Cr-समृद्ध आंतरिक परत के साथ रैखिक-परवलयिक 500-2000 चक्र 50-150 3-8 वर्ष 750-800 मोटा Fe3O4/Fe2O3, Cr कमी रैखिक 100-500 चक्र 150-400 1-3 वर्ष 800-850 तीव्र Fe ऑक्साइड, आंतरिक ऑक्सीकरणरैखिक<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
संक्रमण तापमान की भिन्नता में मोलिब्डेनम और सिलिकॉन की भूमिका

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 >316 के बाद से उनके बेहतर थर्मल थकान प्रतिरोध से 650 डिग्री कुछ ही महीनों में अस्वीकार्य रूप से फैल जाएगा।

क्षेत्र में ऑक्साइड स्पैलिंग और दीवार के पतले होने का आकलन

वर्तमान में सेवा में मौजूद 316 संलग्न एयर हीटरों के लिए स्पैलिंग थ्रेशोल्ड से अधिक सतह के तापमान के तीन फ़ील्ड- अवलोकन योग्य संकेत मौजूद हैं . 1. काले या गहरे भूरे रंग के गुच्छे हीटिंग बाड़े या आस-पास की सतहों के फर्श पर मौजूद हैं। ये परतें मैग्नेटाइट (Fe3O4) हैं और इन्हें चुंबक से आकर्षित किया जा सकता है, एक साधारण निदान। दूसरा, म्यान की सतह का खुरदुरा, गड्ढों वाला रूप है, खासकर यदि मूल चिकनी फिनिश को बनावट वाली या पपड़ीदार सतह से बदल दिया गया हो। तीसरा, और सबसे अधिक मात्रात्मक संकेत, कमरे के तापमान पर मापा गया हीटिंग तत्व के विद्युत प्रतिरोध की एक बूंद है। जैसे-जैसे म्यान की दीवार टूटने से पतली होती जाती है, आंतरिक प्रतिरोध तार का व्यास भी ऑक्सीकृत हो सकता है। लेकिन मूल विशिष्टता से ठंड प्रतिरोध में 5-10% की गिरावट महत्वपूर्ण धातु हानि का संकेत देती है। ऑक्साइड परत को सौम्य ग्रिट ब्लास्टिंग द्वारा हटा दिया जाता है, और शीथ दीवार की मोटाई को अल्ट्रासोनिक मोटाई गेज से सटीक रूप से मापा जा सकता है। नाममात्र 1.5 मिमी शीथ पर 0.8 मिमी से कम दीवार की मोटाई का मतलब है कि अगले 6-12 महीनों में प्रतिस्थापन की योजना बनाई जानी चाहिए। ऐसे हीटरों के लिए जहां सतह का तापमान ज्ञात नहीं है, ऑपरेशन के दौरान म्यान पर लगाया गया थर्मोकपल निर्णायक डेटा प्रदान करता है। यदि ऑपरेशन के 10% से अधिक घंटों के दौरान तापमान 700 डिग्री से ऊपर पाया जाता है, तो ऑक्साइड स्पैलिंग प्रगतिशील होगी।

हवाई सेवा के लिए शीथ तापमान कटौती डिजाइन रणनीतियाँ

उन अनुप्रयोगों के लिए जिनमें 650 डिग्री से ऊपर वायु तापन की आवश्यकता होती है, लेकिन जहां परियोजना प्रतिबंध 316 शीथ के उपयोग को सीमित करते हैं, किसी दिए गए बिजली उत्पादन के लिए वास्तविक सतह के तापमान को कम करने के लिए तीन डिज़ाइन दृष्टिकोण उपलब्ध हैं। पहला और आसान तरीका लंबे या बड़े व्यास वाले म्यान का उपयोग करके, या पंख जोड़कर सतह क्षेत्र का विस्तार करना है। किसी दिए गए वाट क्षमता के लिए, परिवेश पर सतह के तापमान में वृद्धि सतह क्षेत्र से विपरीत रूप से संबंधित होती है। यदि गर्म की गई लंबाई दोगुनी कर दी जाए, तो तापमान में वृद्धि आधी हो जाती है। दूसरी तकनीक हीटर के ऊपर हवा का वेग बढ़ाना है। कम वायु वेग (0.5-1.0 मीटर/सेकंड) पर गर्मी हस्तांतरण गुणांक 10-20 W/m2/K होता है, जिससे उच्च म्यान तापमान होता है। मजबूर संवहन (5-10 मीटर/सेकेंड वेग) पर, गुणांक 50-100 डब्लू/एम2·के तक बढ़ जाता है, जिससे समान वाट क्षमता पर म्यान का तापमान 100-200 डिग्री कम हो जाता है। तीसरी तकनीक एक उच्च-वाट क्षमता वाले हीटर के बजाय कई कम-वाट क्षमता वाले हीटरों का उपयोग करना है, जो कुल बिजली को एक बड़े क्षेत्र में फैलाता है और चरम शीथ तापमान को कम करता है। सभी वायु तापन अनुप्रयोगों के लिए, 650 डिग्री (मापा या गणना) का अधिकतम म्यान तापमान 316 की दीर्घकालिक सेवा के लिए एक सुरक्षित ऊपरी सीमा है। उच्च तापमान अनुप्रयोग के लिए, मानक को 310 स्टेनलेस स्टील या इनकोनेल में अपग्रेड करने की आवश्यकता है।

निष्कर्ष: प्रकार 316 के एयर हीटर के लिए अधिकतम सतह तापमान सीमा

316 स्टेनलेस स्टील में लिपटे इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूबों के लिए जो हवा या दहन गैसों में काम करते हैं, सतह पर बनने वाली ऑक्साइड परत लगभग 700-750 डिग्री पर लगातार सुरक्षात्मक से स्पैलिंग में बदलती है, लेकिन थर्मल साइक्लिंग स्थितियों के तहत काफी कम तापमान पर। दीर्घकालिक विश्वसनीयता के लिए (5+ वर्ष) अधिकतम निरंतर म्यान तापमान 650 डिग्री तक सीमित होना चाहिए। दैनिक चक्रों के साथ रुक-रुक कर सेवा के लिए, संचयी स्पैलिंग क्षति को कम करने के लिए सीमा को 600 डिग्री तक कम कर दिया गया है। यदि 316 संलग्न हीटरों का उपयोग किसी गैसीय वातावरण में किया जाना है जहां तत्व की सतह का तापमान 650 डिग्री से अधिक हो सकता है, तो तापमान को कम करने के लिए वाट क्षमता को कम किया जाना चाहिए, मजबूर संवहन शीतलन के लिए वायु प्रवाह बढ़ाया जाना चाहिए, या उच्च तापमान मिश्र धातु का उपयोग किया जाना चाहिए। इस कार्य में, एक रूपरेखा प्रस्तुत की गई है जो शीथ तापमान को ऑक्साइड स्पैलिंग की दरों और दीवार के पतले होने की भविष्यवाणियों से जोड़ती है, जिससे खरीदारों को अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान चुनने में सक्षम बनाया जाता है जो सुरक्षात्मक पैमाने से विनाशकारी स्पैलिंग में संक्रमण को रोकता है, और इस प्रकार प्रगतिशील दीवार के नुकसान से बचता है जो समय से पहले शीथ छिद्रण की ओर ले जाता है।