Pri kojoj specifičnoj kombinaciji frekvencije toplinskog ciklusa i vršne temperature plašt od 316 nehrđajućeg čelika od 1,0 milimetra razvija oksidno pucanje koje ubrzava ravnomjerno stanjivanje stijenke u cikličkoj usluzi grijanja zraka?

Za inženjere koji izrađuju električne uronjene grijače za industrijske pećnice, grijače za zračne kanale i komore s termičkim ciklusom, proizvodnja i raspadanje kamenca oksida na površini plašta od nehrđajućeg čelika 316 progresivan je ali predvidljiv mehanizam stanjivanja stijenki. Tamo gdje rupičasta korozija ili aktivna korozija uzrokuju lokalizirani kvar, lomljenje oksida potiče homogeni gubitak materijala po cijeloj grijanoj površini. Svaki ciklus zagrijavanja ostavlja mali sloj oksida bogatog kromom. Na kraju će sloj oksida postati predebeo i otpucat će se. To je zato što oksidni sloj ima drugačije toplinsko širenje od metala, a oksidni sloj puca i ljušti se izlažući svježi metal oksidaciji. Ovaj postupak je posebno osjetljiv za plašt s debljinom stijenke od 1,0 mm, budući da malo ravnomjerno stanjivanje može značajno smanjiti strukturni integritet. Ovaj rad utvrđuje precizne uvjete frekvencije toplinskog ciklusa i vršne temperature na kojoj se raspadanje oksida ubrzava do točke smanjenja vijeka trajanja plašta do neprihvatljivih razina za industrijski rad.

Kinetika rasta i pucanja oksida na nehrđajućem čeliku 316L
Kinetika oksidacije nehrđajućeg čelika 316 na zraku slijedi parabolični zakon: debljina oksida raste s kvadratnim korijenom vremena na temperaturi. Na 600°C debljina oksida je oko 2 mikrona nakon 100 sati i oko 5 mikrona nakon 1000 sati. Iste debljine se postižu nakon 20 h, odnosno 200 h na 700°C. Na 800°C, oksid je 5 mikrona u 50 sati. Kritična debljina oksida za pucanje tijekom toplinskog ciklusa funkcija je temperaturne razlike po ciklusu. Za temperaturne fluktuacije od 500°C (recimo 200°C do 700°C) dolazi do pucanja kada je debljina oksida oko 3-4 mikrona. Za zamah od 700°C (npr. od 100°C do 800°C) pucanje počinje na 2-3 mikrona. Svaki slučaj pucanja uklanja 1-3 mikrona metala s površine plašta, budući da oksidni sloj sadrži metal iz podloge. Plašt od 1,0 mm podvrgnut 100 događaja pucanja mogao bi izgubiti 0,1-0,3 mm debljine stijenke što odgovara 10-30% njegovog početnog materijala. U cikličkom radu sa spalacijom u 100-500 ciklusa, omotač od 1,0 mm može postići minimalnu strukturnu debljinu (0,5 mm) nakon 500-2000 ciklusa, tj. . 1-5 godina rada pri jednom ciklusu dnevno.

Kritični pragovi za ubrzano pucanje u omotaču od 1,0 milimetra Kontrolirano ispitivanje u peći uzoraka omotača od 1,0 mm 316 pod cikličkim postavkama zagrijavanja zraka identificira određene pragove pri kojima se pucanje ubrzava do neprihvatljivih brzina. Neprihvatljivo: dosljedno stanjivanje stijenke > 0,05 mm na 1000 ciklusa. (To bi smanjilo omotač od 1,0 mm na 0,7 mm nakon 6000 ciklusa, što je oko 5 godina pri 3 ciklusa dnevno).

Temperatura vršnog ciklusa Promjena temperature po ciklusu Ciklusi do prve debljine oksida lomljenja pri stanjivanju stijenke po događaju lomljenja Ciklusi do 0,7 mm preostalog zida (30% gubitak) 500 stupnjeva 400 stupnjeva (100 stupnjeva do 500 stupnjeva ) 2,000 – 3,000 5 – 6 mikrona 1 – 2 mikrona 15,000 – 30,000 600 stupnjeva 500 stupnjeva (100 stupnjeva do 600 stupnjeva ) 500 – 800 4 – 5 mikrona 2 – 3 mikrona 3,000 – 6,000 650 stupnjeva 550 stupnjeva (100 stupnjeva do 650 stupnjeva ) 200 – 400 3 – 4 mikrona 2 – 4 mikrona 1,500 – 3,000 700 stupanj 600 stupnjeva (100 stupnjeva do 700 stupnjeva ) 100 – 200 3 – 4 mikrona 3 – 5 mikrona 800 – 1,500 750 stupanj 650 stupnjeva (100 stupnjeva do 750 stupnjeva ) 50 – 100 2 – 3 mikrona 4 – 6 mikrona 400 – 800 800 stupanj 700 stupnjeva (100 stupnjeva do 800 stupnjeva ) 20 – 50 2 – 3 mikrona 5 – 8 mikrona 200 – 400
For 1.0 mm sheath, peak temperature 650°C and 3 cycles per day (approximately 1,000 cycles per year), spallation would result in a wall thickness reduction of 0.02–0.04 mm/year, leaving the sheath at 0.7 mm after 5–8 years. This may be tolerable for many purposes. At 750°C peak, the same cycle frequency accelerates the thinning to 0.05–0.10 mm/year, resulting in a life of 2–4 years. At 800°C peak, life is 1–2 years. The essential threshold for undesirable spallation (wall thinning >0.05 mm per 1000 cycles) is at around 700°C peak temperature with cycles >Zamah od 300 stupnjeva. Iznad ovog praga omotač od 1,0 mm gubi materijal brzinom većom nego što većina industrijskih korisnika očekuje.

Sigurna radna omotnica od 1,0 mm u cikličkom zračnom servisu
Sigurna radna omotnica za plašt od 1,0 mm 316 za cikličko grijanje zraka dana je u tablici u nastavku. Osnova je podnošljivo stanjivanje stijenke manje od 0,03 mm na 1000 ciklusa (0,1 mm svakih 3000 ciklusa ili oko 10% gubitka tijekom 5 godina pri 2 ciklusa dnevno).

Maksimalna temperatura površine omotača Preporučeni ciklusi po danu maks. Preporučeni ukupni ciklusi tijekom radnog vijeka Očekivano stanjivanje stijenke nakon maks. Ciklusi Preporučena radnja izvan ovih ograničenja
Do 500°C 10 50,000 Ispod 0,05 mm 316 prihvatljivo; bilo koja frekvencija ciklusa 500 – 550°C 5 25,000 0.05 – 0,10 mm Prihvatljivo za većinu industrijskih usluga
550 – 600°C 3 15,000 0.10 – 0,15 mm Povremeno kontrolirajte debljinu stijenke 600 – 650°C 2 10,000 0.15 – 0,25 mm Uzmite u obzir Incoloy 800H za duži vijek trajanja 650 – 700°C 1 5,000 0.20 – 0,35 mm 316 marginalno; preporučena nadogradnja 700 – 750°C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 mm 316 ne preporučuje se
>750°C Ne preporučuje se Nije primjenjivo Keramički grijač za brzo pucanje ili Incoloy 800H
Incoloy 800H nudi veću otpornost na oksidaciju gdje primjene zahtijevaju vršne temperature plašta iznad 650°C i više od 2 ciklusa dnevno. Legura stvara sporije razvijajući, bolje prianjajući oksid koji se lomi pri puno većim debljinama (10–15 mikrona) i temperaturama (preko 850°C). Na primjer, 1,0 mm Incoloy 800H plašt na 750°C s 5 ciklusa dnevno proći će stanjivanje stijenki<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Promjene u dizajnu kako bi se smanjilo pucanje u plaštima s tankim-stjenkama
Tri promjene dizajna mogu smanjiti stope pucanja kada se plašt od 1,0 mm 316 mora koristiti u cikličkom zračnom servisu blizu ili izvan preporučenih granica. Prvi je upotreba pred-tretmana oksidacije. Rad grijača na maksimalnoj temperaturi 100–200 h prije cikličkog rada dovodi do debljeg, ljepljivijeg oksida za koji je manja vjerojatnost da će se raspasti od tankog oksida koji nastaje tijekom ranih ciklusa. Druga promjena je usporavanje brzine hlađenja. Brzo hlađenje od 700 stupnjeva do sobne temperature uzrokuje toplinski udar i pucanje. Nemojte koristiti prisilno hlađenje zrakom. Spalacija se smanjuje za 30–50% prirodnim hlađenjem u mirnom zraku. Konačna promjena je poliranje površine omotača do zrcalnog sjaja manjeg od 0,2 mikrona Ra. Glatke površine dovode do finije-zrnastih oksida koji bolje prianjaju od oksida razvijenih na hrapavim, kao-izglačanim površinama. Brzine pucanja elektropoliranih 316 omotača su 40-60% niže nego kod presovanih omotača pod istim okolnostima ciklusa. Za većinu industrijskih primjena grijanja zraka ispod vršne temperature od 650°C, plašt od 1,0 mm 316 predstavlja zadovoljavajući životni vijek od 5-10 godina s prihvatljivim frekvencijama ciklusa. Iznad 650°C treba prihvatiti smanjeni životni vijek, ili treba smanjiti učestalost ciklusa, ili treba koristiti leguru otporniju na oksidaciju. Kada specificirate grijače za ciklički servis zraka, uvijek navedite predviđenu vršnu temperaturu plašta, učestalost ciklusa i planirani vijek trajanja. Proizvođač koji predlaže 316 za uslugu 750C bez spominjanja pucanja i stanjivanja stijenke ne daje potpune inženjerske savjete. Jednoliki gubitak debljine stijenke zbog lomljenja oksida je predvidljiv i kontroliran, ali se mora uzeti u obzir pri predviđanju životnog vijeka, posebno za plašteve tankih stijenki gdje se računa svaki mikron izgubljenog materijala.