Jaký kritický parciální tlak kyslíku ve spalovacích plynech při teplotě pláště 600 stupňů zabraňuje zrychlené oxidaci 316 topných trubek z nerezové oceli

Limit oxidačního potenciálu pro tvorbu ochranného kamene

U elektrických topných trubek 316 s pláštěm z nerezové oceli v prostředí se spalovacím plynem, jako jsou potrubní ohřívače, atmosféry pece nebo systémy recirkulace výfukových plynů, parciální tlak kyslíku (pO2) v okolním plynu určí, zda plášť tvoří ochranný povlak oxidu chromitého nebo zda dojde k urychlené oxidaci (odtržená oxidace) v důsledku těkavosti nebo nestability kotelního kamene. Jako funkce vodní páry a dalších reaktivních látek je kritický pO2 pro stabilní stupnici Cr2O3 při vysokých teplotách pláště (600 °C, reprezentativní pro aplikace ohřevu vzduchu, ale na nejvyšší úrovni pro 316) řádově 10-10 až 10{13}}15 atm. Pokud hladina kyslíku klesne pod tuto prahovou hodnotu, oxid chrómu se sníží a oxidy železa vytvoří rychle se vyvíjející ne-ochrannou vrstvu. Nad touto hranicí (prostředí bohaté na kyslík, jako je vzduch při 0,21 atm pO2) se vytvoří tenká přilnavá vrstva Cr2O3, která poskytuje dlouhodobou ochranu. Ale při příliš vysokém parciálním tlaku kyslíku se může v těkavých oxyhydroxidech chrómu tvořit vodní pára, což snižuje tloušťku okují. V této studii je kvantifikováno bezpečné okno pO2 pro 316 plášťů při 600 stupních a jsou uvedena kritéria spalovacího prostředí pro prodloužení životnosti ohřívače.

Mechanismus stability a těkavosti oxidu chromitého

Ochranný povlak na nerezové oceli 316 při vysoké teplotě je většinou Cr 2 O 3, který vzniká selektivní oxidací chrómu. Pro stabilitu Cr2O3 musí být parciální tlak okolního kyslíku vyšší než disociační tlak oxidu chromitého při dané teplotě. Disociační tlak Cr203 (p02, při kterém se Cr203 rozkládá na kovový Cr a O2) je ~10-10-26 atm při 600 stupních, což je výrazně pod úrovní kyslíku normálních spalovacích plynů. V přítomnosti vodní páry se však Cr2O3 přeměňuje na těkavou formu oxyhydroxidu chromitého: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Tato reakce odstraňuje ochrannou vrstvu tempem závislým na pO2 a pH2O. Maximální těkavost nastává při pO2 v přibližném rozsahu 10-10-10-12 atm, spíše než při velmi vysokém nebo velmi nízkém pO2. To naznačuje, že mírně chudé spalovací atmosféry (s nedostatkem kyslíku) jsou ve skutečnosti pro 316 korozívnější než buď plně oxidující (vzduch) nebo podstatně redukční atmosféry.

Kvantifikovaný pO₂ Windows pro tvorbu ochranného vodního kamene při 600 stupních

Rychlost oxidace nerezové oceli 316 jako funkce parciálního tlaku kyslíku byla stanovena řízeným termogravimetrickým testováním při 600 stupních v plynových kombinacích různých pO2 a pH20.

Parciální tlak kyslíku (atm) Parciální tlak vodní páry (atm) Míra oxidace vytvořená stupnice (mg/cm2-h) po 500 hodinách Přilnavost stupnice Doporučeno pro provoz 600 stupňů 0,21 (vzduch)<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 Zvýšená těkavost, ztenčení 0,05-0,10 Střední okraj
10-5 až 10-8 (chudé spalování) 0,05-0,15 Smíšený Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Slabé Nedoporučuje se 10-9 až 10-12 (stechiometrické spalování) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinel + těkavost 0,30-1,0 Velmi špatné
10-12 až 10-15 (bohaté spalování) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1,00-3,00 Velmi špatné (odprýskávání) Nepřijatelné<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Ne-ochranné Nepřijatelné
Vliv síry paliva a dalších produktů spalování

Kromě kyslíku a vodní páry obsahují spaliny pocházející z fosilních paliv oxid siřičitý (SO2) a stopové kovy, které katalyzují oxidaci 316. Cr2O3 interaguje s SO₂ za vzniku sulfidů chrómu, které narušují ochrannou vrstvu a vedou k odtržené oxidaci. Pro 316 při 600 stupních je rychlost oxidace zdvojnásobena koncentrací síry v palivu vyšší než 50 ppm (což odpovídá přibližně 100 ppm S02 ve spalinách). Pro paliva se sírou převyšující 500 ppm (např. topný olej s vysokým{12}}sírou nebo uhlí) se 316 nedoporučuje pro teploty pláště nad 500oC. Spalovací plyny obsahující chlór (ze spalování chlorovaných plastů nebo některých odpadů) jsou ještě agresivnější a produkují těkavé chloridy kovů rychlostí 10-100krát vyšší než koroze na bázi oxidů. Analýza složení paliva je vyžadována pro každou aplikaci, kde je 316 plášťů vystaveno nárazu spalin.

Praktická specifikace pro použití spalovacích topidel

Následující parametry platí pro 316 opláštěné ohřívače v prostředí spalin při teplotě pláště 600 stupňů, aby byla zajištěna produkce ochranného povlaku a přijatelné rychlosti růstu oxidů. Spalování musí být prováděno s přebytkem vzduchu (oxidační okolnosti, pO2 > 0,01 atm), aby se zachovala stupnice Cr2O3 – což je v rozporu s obvyklým názorem, že redukční atmosféry jsou méně korozivní. Parciální tlak vodní páry musí být udržován pod 0,15 atm (15% objemové vlhkosti). Toho lze dosáhnout předsušením spalovacího vzduchu nebo použitím paliva s nízkým obsahem vodíku. Palivo by mělo mít koncentraci síry nižší než 0,05 % (500 ppm) a v ideálním případě nižší než 0,01 % (100 ppm). Pokud některého z těchto parametrů nelze dosáhnout, měl by být materiál pláště upgradován na nerezovou ocel 310 (25Cr-20Ni) nebo Inconel 600, které mají vyšší toleranci vůči sníženému pO2 a vyššímu množství vodní páry.

Terénní diagnostika oxidačního selhání vyvolaného pO2

Morfologie stupnice pro 316 plášťů selhávajících při provozu spalovacích plynů rozlišuje mezi příčinami spojenými s parciálním tlakem kyslíku. V oxidačních podmínkách (přebytek vzduchu) je vodní kámen tenký (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), černá, vrstvená a často vykazuje odlupované oblasti za stechiometrických nebo mírně redukujících podmínek. Stupnice je tmavě šedá, porézní, nepřilnavá a obsahuje wustit (FeO), jak bylo stanoveno pomocí rentgenové difrakce za silně redukujících okolností. Útok generovaný sírou má za následek mikrostrukturu charakteristickou pro měřítko, které je známé jako "sulfidový provazec". Pokud má ohřívač velké množství vodního kamene a praská, mělo by se změnit spalovací prostředí, aby poskytovalo více vzduchu navíc, nebo by ohřívač měl být přemístěn mimo zónu s nejvyšším nedostatkem kyslíku-.

Závěr: Zachování oxidačních podmínek pro životnost ohřívače 316

Nezbytný pO 2 pro výrobu ochranného povlaku Cr 2 O 3 na ohřívačích 316 zapouzdřených z nerezové oceli při 600 stupních v atmosféře spalin je nad přibližně 10-2 atm (2 % objemu kyslíku). Stechiometrické nebo mírně na palivo bohaté spalování- (pO2=10-9 až 10–12 atm) vede k rychlému a neochrannému vytváření oxidů a těkavosti vodního kamene a snižuje životnost ohřívače z 20 000 hodin na 500–2 000 hodin. Inženýři specifikující 316 plášťů pro topná tělesa nebo výfukové aplikace musí zajistit, aby spalování probíhalo v přebytku vzduchu (minimálně 3-5 % O₂ ve spalinách) a aby byl regulován obsah síry v palivu. Tento rámec spojuje parciální tlak kyslíku s měřitelnou rychlostí oxidace. Umožňuje kupujícím vybrat si podmínky spalování, které zachovají ochranný povlak oxidu chrómu na pláštích ohřívačů 316 a zabraňují odtržení oxidace a předčasnému selhání.