Quan s'utilitza una vareta tèrmica de titani per sobreescalfar vapor a 250 graus i 10 bar, quina és la contaminació màxima admissible d'oxigen al vapor per evitar la formació de flocs d'òxid no -adherents?

El titani és protector en vapor sobreescalfat a 250oC i 10 bar, formant una escala de diòxid de titani (TiO2). Tanmateix, la contaminació per oxigen del vapor per sobre de la dissociació típica del vapor d'aigua augmenta l'oxidació i afecta la morfologia de l'escala. L'excés d'oxigen condueix a la producció d'una escala gruixuda i multi-capes que inclou TiO₂ i sub-òxids com Ti₂O₃ i TiO. Aquesta escala no és -adherent i s'escampa fàcilment produint escates d'òxid que poden contaminar equips aigües avall com ara turbines, vàlvules i intercanviadors de calor. La contaminació d'oxigen no ha de superar les 10 parts per milió en volum (10 cm3 d'O2 per m3 de vapor) per evitar el desenvolupament de flocs d'òxid no-adherents. L'escala s'estén entre 500 i 1.000 hores de funcionament per sobre d'aquest nivell.

El mecanisme d'oxigen-escaixa l'escala induïda en vapor sobreescalfat

Reacció normal d'oxidació de vapor a 250 graus Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Amb l'oxigen addicional la reacció és Ti + O 2 → TiO 2 . La velocitat d'oxidació és proporcional a l'arrel quadrada de la pressió parcial de l'oxigen. L'òxid resultant és més gruixut, més porós i conté micro-esquerdes. Això es deu a les tensions de creixement que són més ràpides. La gruixuda escala porosa s'escampa fàcilment amb el refredament o el cicle tèrmic a causa del desajust de l'expansió tèrmica entre l'òxid i el metall de titani. Els flocs d'òxid trencats són transportats pel flux de vapor i poden danyar els equips aigües avall. Les regions esquerdes revelen un nou titani que s'oxida ràpidament. Això condueix a un creixement a escala cíclica i un esquinçament.

Adherència i desgast a l'escala quantitativa vs. concentració d'oxigen

Les característiques d'escala del titani de grau 2 s'han desenvolupat per a diverses quantitats de contaminació d'oxigen en proves controlades en vapor sobreescalfat a 250 graus i 10 bar durant 1.000 hores. Quan el contingut d'oxigen és inferior a 1 ppm (vapor pur), el gruix de l'escala és de 2-5 µm, l'escala és adherent i gris fosc i no es produeix cap esquinçament després de 1000 hores. Amb 1-5 ppm d'oxigen, el gruix de l'escala augmenta fins a 5-10 μm. L'escala s'adhereix amb esquerdes superficials menors i no s'observen escates. A concentracions d'oxigen de 5-10 ppm, el gruix de l'escala és de 10-20 µm, l'escala comença a dividir-se a les vores i ocasionalment apareixen petites escates per sota de 0,1 mm, la qual cosa és adequada per a la majoria d'aplicacions industrials. Oxigen 10–25 ppm Gruix de l'escala 20–40 µm Esquinçament de l'escala 20–40% de la superfície després de 500 hores Es van crear escates 0,1–0,5 mm Això no és adequat per a sistemes de vapor net. Quan l'oxigen està per sobre de 25 ppm, el gruix de l'escala és de més de 50 μm, es produeix un trencament greu després de 100-200 hores i es creen grans escates de més de 0,5 mm, que no són aptes per a cap sistema de vapor.

Efectes de la temperatura i la pressió del vapor sobre la tolerància a l'oxigen.

El límit de concentració d'oxigen admissible disminueix a mesura que augmenten la temperatura i la pressió del vapor. L'oxigen admissible per a l'escala adhesiva és de 25 ppm a 200 graus i el límit de 8 bar és un gruix d'escala de 5 a 10 µm. A 250 graus i 10 bar, l'oxigen admissible es redueix a 10 ppm amb un gruix d'escala de 10-20 µm. A 300 graus i 20 bar, amb un gruix d'escala de 15 a 30 µm, l'oxigen màxim permès es redueix encara més a 5 ppm. L'oxigen admissible a 350 graus i 40 de pressió és de només 2 ppm amb un gruix d'escala de 20 a 40 µm. A 400 graus i 80 de pressió, la concentració d'oxigen permesa és d'1 ppm i el gruix de l'escala és de 30 a 50 μm. Una temperatura més alta augmenta la cinètica d'oxidació, per tant, un control més estricte de l'oxigen evita l'escallada.

Guia per al control de la contaminació per oxigen en sistemes de vapor sobreescalfat

Escalfadors de titani de grau 2. La taula adjunta indica recomanacions de concentracions màximes d'oxigen permeses en vapor sobreescalfat en funció dels requisits del servei i de la susceptibilitat dels equips aigües avall als flocs d'òxid.

Requisit de servei Sensibilitat avall a les escates d'òxid Màxim O2 permès (ppm) Gruix d'escala previst després de 1.000 hores (µm) Risc d'escallada
Vapor net per a aliments o farmàcia Molt alt<1 None 2-5
Vapor industrial baixa sensibilitat a escatesBaixa<5 5 – 10 Low
Vapor industrial, d'acord per als estranys flocs Moderat<10 10-20 Moderate
Servei no crític Baix<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Qualsevol inacceptable
Control de la concentració d'oxigen: més enllà de l'enginyeria:

The grade of titanium has no major influence on the scale spalling at 250 °C, as Grade 2 and Grade 7 react equally in these conditions. Wall thickness is a metal loss allowance, 2.0 mm wall with a 0.01 mm per year oxidation loss, for 1,000 hours of operation, would last 200 years. The velocity of the steam flow effects the flake removal, high speeds (>20 m/s) poden desplaçar les escates encara que estiguin aparentment enganxades. Els flocs solts es poden eliminar mitjançant una purga periòdica de vapor a 50 m/s durant 1 h abans que s'acumulin. Un analitzador d'oxigen a la línia de vapor supervisa contínuament i una alerta establerta a 8 ppm O₂ permet prendre mesures correctives abans del límit de 10 ppm.

Creació d'una especificació ben informada

Per a una barra de calor de titani per sobreescalfar vapor a 250 graus i 10 bar, el contingut d'oxigen a la font de vapor ha de ser inferior a 5 ppm per a aplicacions de vapor net o inferior a 10 ppm per a ús industrial. Instal·leu un analitzador d'oxigen en línia amb una alarma a 8 ppm i un enclavament que talla l'energia de l'escalfador o tanca el sistema si l'oxigen és superior a 15 ppm. Sistemes existents amb nivells d'O2 > 10 ppm Reduïu la temperatura del vapor a 200 graus, la qual cosa permet 25 ppm d'O₂ Instal·leu el sistema de desoxigenació Durant la posada en funcionament, comproveu la superfície de l'escalfador després de 100 hores de funcionament. Si els flocs d'òxid són evidents, redueix la concentració d'oxigen o la temperatura. Mantenir la contaminació d'oxigen per sota de 10 ppm inhibeix la producció de flocs d'òxid no-adherents que contaminarien els equips aigües avall i degradarien la vida útil dels escalfadors en servei de vapor sobreescalfat.