Při jaké konkrétní kombinaci frekvence tepelného cyklu a maximální teploty se u 1,0 milimetrového pláště z nerezové oceli 316 vyvinou oxidové odlupování, které urychluje stejnoměrné ztenčení stěn při cyklickém ohřevu vzduchu?

Pro inženýry, kteří vyrábějí elektrické ponorné ohřívače pro průmyslové pece, ohřívače vzduchových kanálů a tepelné cyklické komory, je produkce a odlupování oxidových okují na povrchu pláště z nerezové oceli 316 progresivním, ale předvídatelným mechanismem ztenčování stěn. Tam, kde důlková koroze nebo aktivní koroze způsobí lokalizované selhání, podporuje odlupování oxidů homogenní ztrátu materiálu po celém zahřátém povrchu. Každý tepelný cyklus vytvoří malý povlak oxidu bohatého na chrom. Nakonec bude vrstva oxidu příliš silná a odloupne se. Je to proto, že oxidová vrstva má jinou tepelnou roztažnost než kov a oxidová vrstva praská a odlupuje se, čímž je vystaven čerstvý kov, který má být oxidován. Tento proces je zvláště vhodný pro plášť s tloušťkou stěny 1,0 mm, protože malé rovnoměrné ztenčení může významně snížit strukturální integritu. Tento dokument stanoví přesné podmínky frekvence tepelného cyklu a maximální teploty, při které se tříštění oxidu zrychluje až do bodu zkrácení životnosti pláště na úroveň nepřijatelnou pro průmyslový provoz.

Kinetika růstu oxidů a tříštění na nerezové oceli 316L
Oxidační kinetika nerezové oceli 316 na vzduchu se řídí parabolickým zákonem: tloušťka oxidu roste s druhou odmocninou času při teplotě. Při 600 °C je tloušťka oxidu asi 2 mikrony po 100 hodinách a asi 5 mikronů po 1000 hodinách. Stejné tloušťky se dosahují po 20 h a 200 h při 700 °C. Při 800 °C je oxid 5 mikronů za 50 hodin. Kritická tloušťka oxidu pro odlupování během tepelného cyklování je funkcí teplotního rozdílu na cyklus. Při kolísání teploty o 500 °C (řekněme 200 °C až 700 °C) začne docházet k odlupování, když je tloušťka oxidu asi 3–4 mikrony. Při výkyvu 700 °C (např. od 100 °C do 800 °C) začíná tříštění při 2-3 mikronech. Každá tříštivá událost odstraní 1–3 mikrony kovu z povrchu pláště, protože vrstva oxidu obsahuje kov ze substrátu. Plášť o tloušťce 1,0 mm vystavený 100 odlupováním by mohl ztratit 0,1–0,3 mm tloušťky stěny, což odpovídá 10–30 % jeho původního materiálu. V cyklickém provozu s odlupováním ve 100-500 cyklech může 1,0mm plášť dosáhnout minimální strukturální tloušťky (0,5 mm) po 500-2 000 cyklech, tj. . 1-5 letech provozu při jednom cyklu za den.

Kritické prahové hodnoty pro zrychlené odlupování v 1,0 milimetrovém plášti Kontrolované testování v peci 1,0 mm 316 vzorků pláště při nastavení cyklického ohřevu vzduchu identifikuje konkrétní prahové hodnoty, při kterých se tříštění zrychluje na nepřijatelnou míru. Nepřijatelné: konzistentní ztenčení stěny > 0,05 mm na 1000 cyklů. (To by snížilo 1,0 mm pouzdro na 0,7 mm po 6000 cyklech, což je přibližně 5 let při 3 cyklech za den).

Vrcholový cyklus kolísání teploty za cyklus Cykly k prvnímu tloušťce oxidu třísky na stěně třísky Ztenčení na cykly třísky na 0,7 mm Zbývající stěna (30% ztráta) 500 stupňů 400 stupňů (100 stupňů až 500 stupňů) 2 000 – 3,{5,16 mikronů –10} – 0 mikronů –20} –0 30,000 600 stupeň 500 stupňů (100 stupňů až 600 stupňů) 500 – 800 4 – 5 mikronů 2 – 3 mikrony 3 000 – 6,000 650 stupeň 550 stupňů (100 stupňů až 650 stupňů) 200 – 1,50 mikronů 200 – 1,50 mikronů 3,000 700 stupeň 600 stupňů (100 stupňů až 700 stupňů) 100 – 200 3 – 4 mikrony 3 – 5 mikronů 800 – 1,500 750 stupeň 650 stupňů (100 stupňů až 750 stupňů) 50 – {{0} mikronů – 4} – 13 700 stupňů (100 stupňů až 800 stupňů) 20 – 50 2 – 3 mikrony 5 – 8 mikronů 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 >výkyv o 300 stupňů. Nad touto hranicí 1,0 mm plášť ztrácí materiál rychleji, než většina průmyslových uživatelů očekává.

1,0 mm bezpečná provozní obálka v cyklickém vzduchovém provozu
Bezpečná provozní obálka pro plášť 1,0 mm 316 pro cyklický ohřev vzduchu je uvedena v tabulce níže. Základem je tolerovatelné ztenčení stěny o méně než 0,03 mm na 1 000 cyklů (0,1 mm každých 3 000 cyklů nebo přibližně 10% ztráta za 5 let při 2 cyklech za den).

Špičková povrchová teplota pláště Max. Doporučené cykly za den Max. Doporučený celkový počet cyklů během životnosti Předpokládané ztenčení stěny po max. Cykly Doporučená akce za těmito limity
Až 500 °C 10 50 000 Méně než 0,05 mm 316 přijatelné; libovolná frekvence cyklu 500 – 550 °C 5 25,000 0.05 – 0,10 mm Přijatelné pro většinu průmyslových provozů
550 – 600 °C 3 15,000 0.10 – 0,15 mm Tloušťka stěny monitoru pravidelně 600 – 650 °C 2 10,000 0.15 – 0,25 mm Zvažte Incoloy 800H pro delší životnost 650 – 700 °C 1 5} – {{146} okraj 5,316 mm; upgrade doporučeno 700 – 750 °C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 mm 316 nedoporučuje se
>750°C Nedoporučuje se Nevztahuje se Rychlé spalováníKeramický ohřívač nebo Incoloy 800H
Incoloy 800H nabízí vyšší odolnost proti oxidaci tam, kde aplikace vyžadují špičkové teploty pláště přesahující 650 °C a více než 2 cykly za den. Slitina vytváří pomaleji se vyvíjející, přilnavější oxid, který se odlupuje při mnohem větších tloušťkách (10–15 mikronů) a teplotách (nad 850 °C). oproti příkladu 1,0 mm plášť Incoloy 800H při 750 °C s 5 cykly/den podstoupí ztenčení stěny<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Změny v designu za účelem snížení odlupování v tenkých{0}}stěnách
Tři konstrukční změny mohou snížit míru odlupování, když musí být plášť 1,0 mm 316 provozován v cyklickém vzduchovém provozu blízko nebo za doporučenými limity. První je použití před-oxidační úpravy. Provoz ohřívače při maximální teplotě po dobu 100–200 hodin před cyklickým provozem vede k tlustšímu a adhezivnějšímu oxidu, u kterého je menší pravděpodobnost odlupování než u tenkého oxidu, který se tvoří během prvních cyklů. Druhou změnou je zpomalení rychlosti chlazení. Rychlé ochlazení ze 700 stupňů na pokojovou teplotu způsobuje tepelný šok a tříštění. Nepoužívejte nucené chlazení vzduchem. Odlupování se sníží o 30–50 % přirozeným chlazením v klidném vzduchu. Poslední změnou je vyleštění povrchu pláště na zrcadlový lesk menší než 0,2 mikronu Ra. Hladší povrchy vedou k jemnějším-oxidům zrn, které jsou přilnavější než oxidy vyvinuté na drsných, jako{18}}zhutněných površích. Míra odlupování elektrolyticky leštěných pouzder 316 je o 40-60 % nižší než u pouzder zhutněných za stejných podmínek cyklu. Pro většinu aplikací průmyslového ohřevu vzduchu pod 650 °C špičkově představuje plášť 1,0 mm 316 uspokojivou životnost 5–10 let s tolerovatelnými frekvencemi cyklů. Nad 650 °C by měla být přijata snížená životnost nebo by měla být snížena frekvence cyklů nebo by měla být použita slitina odolnější vůči oxidaci. Při specifikaci ohřívačů pro cyklický provoz vzduchu vždy uveďte předpokládanou špičkovou teplotu pláště, frekvenci cyklů a plánovanou životnost. Výrobce, který navrhuje 316 pro službu 750C bez zmínky o odlupování a ztenčování stěn, neposkytuje úplné technické poradenství. Rovnoměrná ztráta tloušťky stěny v důsledku odlupování oxidů je předvídatelná a řízená, ale musí být zohledněna při předpovědích životnosti, zejména u tenkostěnných plášťů, kde se počítá každý mikron ztraceného materiálu.