Przy jakiej konkretnej kombinacji częstotliwości cykli termicznych i temperatury szczytowej w osłonie ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,0 milimetra rozwija się spalacja tlenkowa, która przyspiesza równomierne pocienianie ścian w trybie cyklicznego ogrzewania powietrzem?

Dla inżynierów budujących elektryczne grzałki zanurzeniowe do piekarników przemysłowych, nagrzewnic kanałowych i komór z cyklami termicznymi, wytwarzanie i łuszczenie się kamienia tlenkowego na powierzchni osłony ze stali nierdzewnej 316 jest postępującym, ale przewidywalnym mechanizmem pocieniania ścianek. Tam, gdzie wżery lub aktywna korozja powodują miejscowe uszkodzenia, spalacja tlenków sprzyja jednorodnej utracie materiału na całej nagrzanej powierzchni. Każdy cykl cieplny nakłada niewielką warstwę tlenku bogatego w chrom. W końcu warstwa tlenku stanie się zbyt gruba i zacznie się odpryskiwać. Dzieje się tak dlatego, że warstwa tlenku ma inną rozszerzalność cieplną niż metal, a warstwa tlenku pęka i odpada, odsłaniając świeży metal, który ma zostać utleniony. Proces ten jest szczególnie podatny na osłonę o grubości ścianki 1,0 mm, ponieważ niewielkie, równomierne pocienienie może znacznie zmniejszyć integralność strukturalną. W artykule określono dokładne warunki częstotliwości cykli cieplnych i temperatury szczytowej, w której spalacja tlenku przyspiesza do punktu, w którym żywotność powłoki ulega skróceniu do poziomu nieakceptowalnego w zastosowaniach przemysłowych.

Kinetyka wzrostu i spalacji tlenków na stali nierdzewnej 316L
Kinetyka utleniania stali nierdzewnej 316 w powietrzu jest zgodna z prawem parabolicznym: grubość tlenku wzrasta wraz z pierwiastkiem kwadratowym czasu w temperaturze. W temperaturze 600°C grubość tlenku wynosi około 2 mikrony po 100 godzinach i około 5 mikronów po 1000 godzinach. Tę samą grubość uzyskuje się odpowiednio po 20 i 200 godzinach w temperaturze 700°C. W temperaturze 800°C tlenek ma grubość 5 mikronów w ciągu 50 godzin. Krytyczna grubość tlenku powodująca spalację podczas cykli termicznych jest funkcją różnicy temperatur na cykl. W przypadku wahań temperatury wynoszących 500°C (powiedzmy 200°C do 700°C) spalacja zaczyna występować, gdy grubość tlenku wynosi około 3–4 mikrony. Dla wahań temperatury 700°C (np. od 100°C do 800°C) spalacja zaczyna się od 2-3 mikronów. Każde zdarzenie spalacyjne usuwa 1–3 mikrony metalu z powierzchni powłoki, ponieważ warstwa tlenku zawiera metal z podłoża. Osłona o grubości 1,0 mm poddana 100 spalacjom może stracić 0,1–0,3 mm grubości ścianki, co odpowiada 10–30% materiału wyjściowego. W przypadku pracy cyklicznej z spallacją w 100–500 cyklach, osłona o grubości 1,0 mm może osiągnąć minimalną grubość strukturalną (0,5 mm) po 500–2000 cykli, tj.. 1-5 lat pracy przy jednym cyklu dziennie.

Krytyczne progi przyspieszonej spalacji w osłonie o grubości 1,0 milimetra Kontrolowane badania w piecu próbek osłony o grubości 1,0 mm 316 przy ustawieniach cyklicznego ogrzewania powietrzem identyfikują szczególne progi, przy których spalacja przyspiesza do niedopuszczalnego poziomu. Niedopuszczalne: stałe pocienienie ścianek > 0,05 mm na 1000 cykli. (Spowodowałoby to obniżenie grubości powłoki 1,0 mm do 0,7 mm po 6000 cyklach, czyli około 5 lat przy 3 cyklach dziennie).

Szczytowa temperatura cyklu Temperatura wahania temperatury na cykl Cykle do pierwszego Spallation Grubość tlenku przy spallation Ścieńczenie ścianki na Spallation Event Cykle do 0,7 mm Pozostała ściana (30% straty) 500 stopni 400 stopni (100 stopni do 500 stopni) 2000 – 3,000 5 – 6 mikronów 1 – 2 mikrony 15 000 – 30,000 600 stopni 500 stopni (100 stopni do 600 stopni) 500 – 800 4 – 5 mikronów 2 – 3 mikrony 3000 – 6,000 650 stopni 550 stopni (100 stopni do 650 stopni) 200 – 400 3 – 4 mikrony 2 – 4 mikrony 1500 – 3,000 700 stopnia 600 stopni (100 stopni do 700 stopni) 100 – 200 3 – 4 mikrony 3 – 5 mikronów 800 – 1,500 750 stopnia 650 stopni (100 stopni do 750 stopni) 50 – 100 2 – 3 mikrony 4 – 6 mikronów 400 – 800 800 stopni 700 stopni (100 stopni do 800 stopni) 20 – 50 2 – 3 mikrony 5 – 8 mikronów 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 >Obrót o 300 stopni. Powyżej tego progu osłona o grubości 1,0 mm traci materiał w tempie szybszym niż spodziewa się większość użytkowników przemysłowych.

Bezpieczna koperta robocza o grubości 1,0 mm w cyklicznych usługach lotniczych
Bezpieczną obwiednię roboczą dla osłony 316 o grubości 1,0 mm do cyklicznego ogrzewania powietrzem podano w poniższej tabeli. Podstawą jest tolerowane pocienienie ścianek mniejsze niż 0,03 mm na 1000 cykli (0,1 mm na 3000 cykli lub około 10% utraty w ciągu 5 lat przy 2 cyklach dziennie).

Szczytowa temperatura powierzchni płaszcza Max. Zalecane cykle dziennie Maks. Zalecana łączna liczba cykli w całym okresie użytkowania Oczekiwane pocienienie ścianki po maks. CykleZalecane działanie wykraczające poza te limity
Do 500°C 10 50,000 Poniżej 0,05 mm 316 dopuszczalne; dowolna częstotliwość cykli 500 – 550°C 5 25,000 0.05 – 0,10 mm Dopuszczalne dla większości zastosowań przemysłowych
550 – 600°C 3 15,000 0.10 – 0,15 mm Grubość ścianki monitora okresowo 600 – 650°C 2 10,000 0.15 – 0,25 mm Należy rozważyć Incoloy 800H dla dłuższej żywotności 650 – 700°C 1 5,000 0.20 – 0,35 mm 316 marginalne; zalecana aktualizacja 700 – 750°C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 mm 316 niezalecana
>750°C Niezalecane Nie dotyczy Szybka spalacja Grzejnik ceramiczny lub Incoloy 800H
Incoloy 800H zapewnia wyższą odporność na utlenianie tam, gdzie aplikacje wymagają szczytowych temperatur powłoki przekraczających 650°C i dłuższych niż 2 cykle dziennie. Stop tworzy wolniej rozwijający się, bardziej przylegający tlenek, który odpryskuje przy znacznie większych grubościach (10–15 mikronów) i temperaturach (ponad 850°C). na przykład osłona ze stali Incoloy 800H o grubości 1,0 mm w temperaturze 750°C przy 5 cyklach dziennie ulegnie ścieńczeniu<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Zmiany projektowe mające na celu zmniejszenie spallacji w cienkich-osłonach ściennych
Trzy zmiany konstrukcyjne mogą zmniejszyć współczynnik odprysków, gdy osłona 316 o grubości 1,0 mm musi być eksploatowana w cyklicznych usługach lotniczych w granicach zalecanych lub powyżej zalecanych wartości granicznych. Pierwszym z nich jest zastosowanie obróbki-przed utlenianiem. Praca grzejnika na maksymalnej temperaturze przez 100–200 h przed pracą cykliczną powoduje powstanie grubszego, bardziej adhezyjnego tlenku, który jest mniej podatny na odpryskiwanie niż cienki tlenek powstający we wczesnych cyklach. Druga zmiana polega na zmniejszeniu szybkości chłodzenia. Gwałtowne ochłodzenie z 700 stopni do temperatury pokojowej powoduje szok termiczny i spalizację. Nie używaj wymuszonego chłodzenia powietrzem. Spallacja jest zmniejszona o 30–50% przy naturalnym chłodzeniu w nieruchomym powietrzu. Ostatnią zmianą jest wypolerowanie powierzchni osłony do lustrzanego połysku o wartości mniejszej niż 0,2 mikrona Ra. Gładsze powierzchnie prowadzą do powstania tlenków o drobniejszym-ziarnie, które są bardziej przyczepne niż tlenki powstające na chropowatych,-powierzchniach kształtowanych. Szybkość spalacji elektropolerowanych powłok 316 jest o 40-60% niższa niż w przypadku powłok walcowanych w tych samych warunkach cyklu. W większości zastosowań przemysłowych w zakresie ogrzewania powietrza poniżej 650°C, osłona 316 o grubości 1,0 mm zapewnia zadowalającą trwałość użytkową wynoszącą 5–10 lat przy tolerowanych częstotliwościach cykli. Powyżej 650°C należy zaakceptować krótszą trwałość, zmniejszyć częstotliwość cykli lub zastosować stop bardziej odporny na utlenianie. Określając nagrzewnice do cyklicznej pracy z powietrzem, zawsze należy podać przewidywaną szczytową temperaturę płaszcza, częstotliwość cykli i planowany okres użytkowania. Producent sugerujący usługę 316 dla 750C, nie wspominając o spallacji i ścieńczeniu ścian, nie udziela pełnych porad technicznych. Jednolita utrata grubości ścianki spowodowana spalacją tlenków jest przewidywalna i kontrolowana, ale należy ją uwzględnić w przewidywaniach trwałości użytkowej, szczególnie w przypadku powłok cienkościennych, gdzie liczy się każdy mikron utraconego materiału.