Quina pressió parcial crítica d'oxigen en els gasos de combustió a una temperatura de la funda de 600 graus impedeix l'oxidació accelerada dels tubs d'escalfador d'acer inoxidable 316

Límit del potencial oxidant per a la formació d'escales protectores

Per als tubs de calefacció elèctrics amb coberta d'acer inoxidable 316 en entorns de gas de combustió, com ara escalfadors de conductes, atmosferes de forn o sistemes de recirculació de gasos d'escapament, la pressió parcial d'oxigen (pO2) al gas circumdant determinarà si la funda forma una escala protectora d'òxid de crom o experimenta una oxidació accelerada (oxidació de la volatilitat o inestabilitat de l'escala). En funció del vapor d'aigua i d'altres espècies reactives, la pO2 crítica per a una escala estable de Cr2O3 a altes temperatures de la coberta (600 ºC, representativa de les aplicacions d'escalfament d'aire però a l'extrem més alt per a 316) és de l'ordre de 10-10 a 10-15 atm. Si el nivell d'oxigen cau per sota d'aquest llindar, l'òxid de crom es redueix i els òxids de ferro formen una escala no protectora de desenvolupament ràpid. Per sobre d'aquest llindar (entorns rics en oxigen com l'aire a 0,21 atm pO2), es desenvolupa una fina capa de Cr2O3 adherida, que proporciona protecció a llarg termini. Però amb massa pressió parcial d'oxigen, es pot formar vapor d'aigua en oxihidròxids de crom volàtils, la qual cosa redueix el gruix de l'escala. En aquest estudi, es quantifica la finestra de pO2 segura per a 316 beines a 600 graus i es proporcionen criteris d'entorn de combustió per a l'allargament de la vida útil de l'escalfador.

Mecanisme d'estabilitat i volatilitat de l'òxid de crom

L'escala protectora de l'acer inoxidable 316 a alta temperatura és majoritàriament Cr 2 O 3 , que es forma per oxidació selectiva del crom. Per a l'estabilitat del Cr2O3, la pressió parcial d'oxigen ambiental ha de ser superior a la pressió de dissociació de l'òxid de crom a la temperatura en qüestió. La pressió de dissociació del Cr₂O₃ (la pO₂ a la qual el Cr₂O₃ es descompon en Cr i O₂ metàl·lics) és de ~10⁻²⁶ atm a 600 graus, molt per sota dels nivells d'oxigen dels gasos de combustió normals. Tanmateix, en presència de vapor d'aigua, el Cr2O3 es converteix en una forma volàtil d'oxihidròxid de crom: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Aquesta reacció elimina l'escala protectora a un ritme que depèn de pO2 i pH2O. La volatilitat màxima es produeix a la pO2 en l'interval aproximat de 10-10-10-12 atm, en lloc de la pO2 molt alta o molt baixa. Això suggereix que les atmosferes de combustió lleugerament magres (deficiència d'oxigen) són, de fet, més corrosives fins a 316 que les atmosferes totalment oxidants (aire) o substancialment reductores.

Finestres de pO₂ quantificades per a la formació d'escales protectores a 600 graus

La taxa d'oxidació de l'acer inoxidable 316 en funció de la pressió parcial d'oxigen s'ha determinat mitjançant proves termogravimètriques controlades a 600 graus en combinacions de gasos de diferents pO₂ i pH₂O.

Pressió parcial d'oxigen (atm) Pressió parcial de vapor d'aigua (atm) Índex d'oxidació formada en escala (mg/cm2-hr) després de 500 hores Adherència a l'escala Recomanada per a un servei de 600 graus 0,21 (aire)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Volatilització millorada, aprimament 0,05-0,10 Moderat Marginal
10-5 a 10-8 (combustió magra) 0,05-0,15 Mixt Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Pobre No recomanat 10-9 a 10-12 (combustió estequiomètrica) 0,10-0,20 FeCr2O4 espinela + volatilització 0,30-1,00 Molt poc acceptable
10-12 a 10-15 (combustió rica) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetita) 1,00-3,00 Molt pobre (esquissaments) Inacceptable<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 No-protector Inacceptable
Impacte del sofre del combustible i altres productes de la combustió

A més de l'oxigen i el vapor d'aigua, els gasos de combustió derivats dels combustibles fòssils contenen diòxid de sofre (SO2) i traces de metalls que catalitzen l'oxidació 316. El Cr₂O₃ interacciona amb el SO₂ per produir sulfurs de crom, que descomponen l'escala protectora i provoquen una oxidació trencadora. Per a 316 a 600 graus, la velocitat d'oxidació es duplica per una concentració de sofre en el combustible superior a 50 ppm (corresponent a unes 100 ppm de SO 2 en el gas de combustió). Per a combustibles amb sofre superior a 500 ppm (p. ex., gasoil o carbó amb alt-sofre), 316 no es recomana per a temperatures de la coberta superiors a 500oC. Els gasos de combustió que contenen clor (procedents de la combustió de plàstics clorats o alguns residus) són encara més agressius i produeixen clorurs metàl·lics volàtils a velocitats de 10 a 100 vegades superiors a la corrosió basada en òxids. L'anàlisi de la composició del combustible és necessària per a qualsevol aplicació on 316 beines estiguin subjectes a un impacte de gas de combustió.

Especificació pràctica per a l'ús d'escalfadors de combustió

Els paràmetres següents són per a 316 escalfadors encapsulats en entorns de gasos de combustió a una temperatura de la funda de 600 graus per garantir la producció d'una escala protectora i taxes de creixement d'òxid acceptables. La combustió s'ha de fer amb excés d'aire (circumstàncies oxidants, pO2 > 0,01 atm) per mantenir l'escala de Cr2O3, en contra de la creença habitual que les atmosferes reductores són menys corrosives. La pressió parcial del vapor d'aigua s'ha de mantenir per sota de 0,15 atm (15% d'humitat en volum). Això es pot fer assecant prèviament l'aire de combustió o utilitzant un combustible baix en hidrogen. El combustible hauria de tenir una concentració de sofre inferior al 0,05 % (500 ppm) i, idealment, inferior al 0,01 % (100 ppm). Si no es pot assolir algun d'aquests paràmetres, el material de la funda s'hauria d'actualitzar a acer inoxidable 310 (25Cr-20Ni) o Inconel 600, ambdós amb una major tolerància a la reducció de la pO2 i al vapor d'aigua més elevat.

Diagnòstic de camp de fallada d'oxidació induïda per pO2

La morfologia de l'escala de 316 beines que fallen en el servei de gasos de combustió distingeix entre causes vinculades a la pressió parcial d'oxigen. En condicions d'oxidació (excés d'aire), l'escala és fina (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), negre, en capes i sovint mostra zones esquerdes en circumstàncies estequiomètriques o lleugerament reductores. L'escala és de color gris fosc, porosa, no adherent i conté wustita (FeO) tal com es determina mitjançant la difracció de raigs X-en circumstàncies molt reductores. L'atac generat pel sofre dóna com a resultat una microestructura distintiva de l'escala que es coneix com "sulfur de corda". Si l'escalfador té incrustacions i esquitxades pesades, l'entorn de combustió s'ha de canviar per proporcionar més aire addicional o l'escalfador s'ha de moure fora de la zona màxima d'oxigen-.

Conclusió: Manteniment de les condicions oxidants per a la longevitat de l'escalfador de combustió 316

La pO 2 essencial per a la producció d'escala protectora de Cr 2 O 3 en escalfadors d'acer inoxidable 316 a 600 graus en atmosferes de gas de combustió és superior a uns 10-2 atm (2% d'oxigen en volum). La combustió estequiomètrica o lleugerament-rica en combustible (pO2=10-9 a 10-12 atm) provoca un desenvolupament ràpid i no protector d'òxids i una volatilitat de l'escala, i redueix la vida útil de l'escalfador de 20.000 hores a 500-2.000 hores. Els enginyers que especifiquen beines 316 per a escalfadors de foc o aplicacions d'escapament han d'assegurar-se que la combustió s'executa en l'aire sobrant (mínim 3-5% O₂ en els gasos de combustió) i que el contingut de sofre del combustible estigui regulat. Aquest marc connecta la pressió parcial d'oxigen amb taxes d'oxidació mesurables. Permet als compradors seleccionar condicions de combustió que preservin l'escala protectora d'òxid de crom a les beines de l'escalfador 316 i eviten l'oxidació trencada i la fallada prematura.