A quina combinació específica de freqüència del cicle tèrmic i temperatura màxima de la funda experimenta una funda d'acer inoxidable 316 de 2,5 mil·límetres d'exfoliació d'òxid que redueix el gruix de la paret per sota de 2,0 mil·límetres en un any en el servei de sobreescalfador de vapor cíclic?

La combinació de vapor d'alta temperatura i funcionament cíclic produeix un entorn d'oxidació únic entre el sobreescalfador de vapor elèctric de l'enginyer de la central elèctrica i les beines d'acer inoxidable 316 de l'especialista en calderes industrials. A diferència de l'escalfament d'aire on les escates d'òxid es creen a velocitats relativament lentes, el vapor accelera l'oxidació perquè el vapor d'aigua es difon a través de la capa d'òxid i reacciona amb el metall que hi ha a sota. El trencament de les escates d'òxid en el cicle tèrmic és especialment problemàtic per a les beines de paret gruixuda-. L'acumulació-d'òxid es fa prou gruixuda com per esquinçar-se, i s'emporta metall base amb cada esdeveniment d'exfoliació. Per al servei de sobreescalfador, de vegades s'especifica el gruix de la paret com a 2,5 mm per permetre la resistència a la fluència i la tolerancia a la corrosió. Tanmateix, per a algunes combinacions de temperatura màxima i freqüència de cicle, l'exfoliació d'òxid pot erosionar 0,5 mm de gruix de paret en un any i, per tant, comprometre la integritat mecànica. Aquest document estableix límits específics per a taxes d'exfoliació inacceptables per a una funda 316 de 2,5 mm en ús de vapor cíclic.

Mecanismes d'oxidació i delaminació per vapor en acer inoxidable 316
En vapor sobreescalfat a temperatures superiors als 550 °C, l'acer inoxidable 316 desenvolupa una escala d'òxid dúplex amb una capa exterior de magnetita (Fe3O4) i una capa interior d'espinela rica en crom-. La velocitat d'oxidació segueix una llei parabòlica; tanmateix, l'addició de vapor augmenta la velocitat en una proporció de 2-5 en comparació amb l'aire a la mateixa temperatura. Una funda 316 creix ~ 10 micres d'òxid en vapor després de 1000 hores a 600 °C. A 650 graus, el gruix és de 25 micres. 700°C, 60 micres. L'òxid és superior a 120 micres a 750 °C després de 1000 hores. L'espal·lació de l'òxid durant el refredament es deu al creixement de la capa d'òxid més enllà d'un gruix crític i al desajust de l'expansió tèrmica de l'òxid i el metall. El gruix essencial per a l'exfoliació dels òxids formats en vapor és d'uns 30-50 micres. Cada vegada que s'elimina la capa d'òxid, també s'elimina un petit recobriment de metall base (2-5 micres en la majoria dels casos). Després de 1000 hores d'exposició acumulada d'una funda de 0,25 mm a 700 °C amb 100 cicles tèrmics cada any, l'òxid augmentaria fins a 60 micres i es produiria l'exfoliació. Si l'exfoliació té lloc cada 1.000 hores i cada cop treu 4 micres de metall, la pèrdua anual de paret serà d'uns 0,035 mm insignificant. Tanmateix, l'exfoliació pot ocórrer amb més freqüència a temperatures més altes i/o cicles més freqüents, la qual cosa accelera la degradació de la paret.

Llindars crítics per a l'exfoliació accelerada de la funda en 2,5 mm
Les proves d'oxidació de vapor controlada cíclica de mostres de 2,5 mm de 316 funda han mostrat els límits exactes més enllà dels quals la pèrdua de paret seria superior a 0,5 mm per any, el punt en què una funda de 2,5 mm es reduiria a 2,0 mm en 12 mesos.

Temperatura màxima de la coberta Hores fins a la primera exfoliació, gruix acumulat de l'òxid a l'exfoliació Pèrdua de metall per esdeveniment d'exfoliació Nombre de cicles per any per a la pèrdua anual per superar els 0,5 mm Mecanisme de fallada dominant 550 °C 8.000 – 10.000 hores 25 – 20 – 30 micres, no possible 25 – 20 – 30 micres cicles/any Exfoliació no significativa 600 graus 2.000 – 3.000 hores 35 – 45 micres 3 – 5 micres Per sobre de 500 cicles/any Risc marginal 650 graus 500 – 800 hores 50 – 70 micres 4 – 6 micres Per sobre de 1 anys Risc moderat 700 micres cicles/any 150 – 250 hores 80 – 120 micres 5 – 8 micres Més de 50 cicles/any Risc alt 750 graus 50 – 100 hores 150 – 200 micres 8 – 12 micres Més de 20 cicles/any Exfoliació severa 202 – 300 microns hores 802 – 300 microns 12 – 20 micres Per sobre de 10 cicles/any Pèrdua ràpida de paret
Per a un sobreescalfador a 700 °C de temperatura màxima de la funda i 100 cicles per any (aproximadament 2 cicles per setmana), la pèrdua anual de paret serà de 100 cicles dividida pels 200 cicles entre esdeveniments d'exfoliació (el punt mitjà de 150-250 hores a 24 hores per cicle és d'aproximadament 6-10 cicles per esdeveniment). La pèrdua anual de paret és de 0,05-0,12 mm, molt per sota dels 0,5 mm, amb 10-15 esdeveniments d'exfoliació/any i 5-8 micres de pèrdua/esdeveniment. A 700 graus amb 300 cicles per any (al voltant de 6 cicles per setmana), la pèrdua anual és de 0,15-0,36 mm, apropant-se al límit. A 750 graus amb 100 cicles/any, la pèrdua anual és de 0,5-1,2 mm, que està per sobre del llindar. Per tant, la combinació important per a una pèrdua de paret inacceptable és la temperatura màxima superior a 730 °C, amb més de 100 cicles/any, o la temperatura màxima superior a 700 °C, amb més de 300 cicles/any.

Sobre de funcionament segur de 2,5 mil·límetres de funda en servei de vapor
La taula següent mostra el nombre màxim de cicles suggerit per any per a una funda 316 de 2,5 mm en servei de sobreescalfador de vapor cíclic per mantenir la pèrdua de paret anual per sota de 0,2 mm (menys del 10% del gruix de la paret per any).

Temperatura màxima de la coberta Cicles màxims recomanats per any Pèrdua anual esperada de paret als cicles màxims Vida útil estimada fins a 2,0 mm Mur restant Acció recomanada Per sobre dels límits Fins a 600 graus 1.000 Per sota de 0,05 mm Més de 10 anys 316 acceptable 600 graus – 8 90 mm 10 anys Acceptable per a la majoria de serveis 650 – 680 graus 250 0.10 – 0,15 mm 5 – 8 anys Monitor anualment 680 – 700 graus 150 0.15 – 0,20 mm 4 – 6 anys Considereu l'actualització de l'aliatge per a una vida útil més llarga 700 – 720 graus – {27} 1 anys marge 720 – 740 graus 40 0.30 – 0,45 mm 2 – 3 anys Es recomana l'actualització a Incoloy 800H 740 – 760 graus 20 0.45 – 0,70 mm 1,5 – 2 anys Es requereix Incoloy 800H
No recomanat Per sobre de 760 graus Per sobre de 0,70 mm Menys d'1,5 anys Utilitzeu aliatge a base de níquel
Incoloy 800H ofereix una resistència a l'oxidació de vapor substancialment més gran que l'Incoloy 800 per a aplicacions de sobreescalfador quan les temperatures màximes de la funda superen els 720 °C i més de 50 cicles per any. L'aliatge produeix un òxid més prim i adherent que s'exfolia per sobre de 100 micres de gruix, donant lloc a un factor de reducció de 5-10 en la pèrdua de paret anual en comparació amb 316.

Canvis de disseny per reduir la descamació a les beines de-paret gruixuda
Quan una funda 316 de 2,5 mm ha d'estar a prop o per sobre dels límits permesos, tres canvis de disseny poden reduir l'exfoliació sense canviar el material de la funda. La primera és la velocitat de la rampa de refrigeració regulada. El refredament de la temperatura màxima a l'ambient a velocitats inferiors a 50 °C per hora minimitza el xoc tèrmic i produeix fragments d'esquerdes més petits i menys destructius. La segona alteració és pre-oxidar la superfície de la funda abans del servei cíclic. Si feu funcionar l'escalfador a plena temperatura constantment durant 500-1.000 hores, es produeix un òxid més gruixut i més estable que és menys probable que s'exfoli amb freqüència. Un tercer canvi és mantenir la temperatura mínima d'espera a 300 °C, en lloc de baixar a l'ambient. Això redueix la tensió de calor cada cicle en un 40-60%, augmentant per tant el nombre de cicles entre episodis d'exfoliació. Per a la majoria d'aplicacions de sobreescalfador de vapor, una funda 316 de 2,5 mm és acceptable per a temperatures màximes de fins a 680 °C amb freqüències de cicle tolerables. Més enllà dels 700 graus, els enginyers han d'acceptar una vida útil de 2 a 4 anys o actualitzar a Incoloy 800H. La diferència de cost entre 316 i Incoloy 800H per a un sobreescalfador sol ser del 30 al 50%, però l'augment de la longevitat i la menor possibilitat de bloqueig d'òxids a l'equip aigües avall fan que l'actualització valgui la pena. Quan especifiqueu escalfadors per al funcionament cíclic de vapor, esmenteu sempre la temperatura màxima prevista de la coberta, la freqüència del cicle i la vida útil desitjada. Un fabricant que recomana 316 per a un servei a 750 °C sense esmentar l'exfoliació d'òxids i la pèrdua de paret no està donant consells d'enginyeria complets. L'exfoliació per oxidació de vapor crea una pèrdua de paret consistent i previsible, però això s'haurà de tenir en compte en els càlculs de la vida útil. Això serà especialment important per a les beines de paret gruixuda on l'exfoliació eliminarà més metall per esdeveniment a causa de l'escala d'òxid més gruixuda que es forma a temperatura més alta.