Jakie krytyczne ciśnienie cząstkowe tlenu w gazach spalinowych przy temperaturze płaszcza 600 stopni zapobiega przyspieszonemu utlenianiu rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316

Granica potencjału utleniającego dla tworzenia się kamienia ochronnego

W przypadku elektrycznych rur grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 w środowiskach gazów spalinowych, takich jak nagrzewnice kanałowe, atmosfery pieców lub systemy recyrkulacji gazów spalinowych, ciśnienie cząstkowe tlenu (pO2) w otaczającym gazie określi, czy osłona tworzy ochronną warstwę tlenku chromu, czy też ulega przyspieszonemu utlenianiu (utlenianiu z przerwaniem) z powodu lotności lub niestabilności kamienia. Jako funkcja pary wodnej i innych reaktywnych substancji, krytyczne pO2 dla stabilnej skali Cr2O3 w wysokich temperaturach płaszcza (600 stopni C, reprezentatywne dla zastosowań ogrzewania powietrzem, ale górna granica dla 316) jest rzędu 10-10 do 10-15 atm. Jeśli poziom tlenu spadnie poniżej tego progu, zawartość tlenku chromu ulegnie zmniejszeniu, a tlenki żelaza utworzą szybko rozwijającą się,-nieochronną warstwę kamienia. Powyżej tego progu (środowiska bogate w tlen, takie jak powietrze o ciśnieniu 0,21 atm pO2) tworzy się cienka, przylegająca warstwa Cr2O3, zapewniająca długoterminową ochronę. Jednak przy zbyt dużym ciśnieniu cząstkowym tlenu w lotnych tlenowodorotlenkach chromu może tworzyć się para wodna, co zmniejsza grubość zgorzeliny. W tym badaniu określono ilościowo bezpieczne okno pO2 dla osłon 316 przy 600 stopniach i podano kryteria środowiska spalania w celu wydłużenia żywotności grzejnika.

Mechanizm stabilności i lotności tlenku chromu

Zgorzelina ochronna na stali nierdzewnej 316 w wysokiej temperaturze składa się głównie z Cr 2 O 3 , który powstaje w wyniku selektywnego utleniania chromu. Aby zapewnić stabilność Cr2O3, ciśnienie cząstkowe tlenu w otoczeniu musi być wyższe niż ciśnienie dysocjacji tlenku chromu w danej temperaturze. Ciśnienie dysocjacji Cr₂O₃ (pO₂, przy którym Cr₂O₃ rozkłada się na metaliczny Cr i O₂) wynosi ~10⁻²⁶ atm w temperaturze 600 stopni, znacznie poniżej poziomu tlenu w normalnych gazach spalinowych. Jednakże w obecności pary wodnej Cr2O3 przekształca się w lotną postać tlenowodorotlenku chromu: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Reakcja ta eliminuje kamień ochronny w tempie zależnym od pO2 i pH2O. Maksymalna lotność występuje przy pO2 w przybliżeniu w zakresie 10-10-10-12 atm, a nie przy bardzo wysokim lub bardzo niskim pO2. Sugeruje to, że lekko uboga (z niedoborem tlenu) atmosfera spalania jest w rzeczywistości bardziej korozyjna dla 316 niż atmosfera całkowicie utleniająca (powietrze) lub zasadniczo redukująca.

Ilościowe okna pO₂ umożliwiające tworzenie się kamienia ochronnego przy 600 stopniach

Szybkość utleniania stali nierdzewnej 316 w funkcji ciśnienia cząstkowego tlenu określono za pomocą kontrolowanych testów termograwimetrycznych w temperaturze 600 stopni w kombinacjach gazów o różnych pO₂ i pH₂O.

Ciśnienie cząstkowe tlenu (atm) Ciśnienie cząstkowe pary wodnej (atm) Szybkość utleniania utworzonej skali (mg/cm2-hr) po 500 godzinach Przyczepność skali Zalecana dla pracy w temperaturze 600 stopni 0,21 (powietrze)<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 Zwiększone ulatnianie, rozrzedzanie 0,05-0,10 Umiarkowane Marginalne
10-5 do 10-8 (spalanie ubogie) 0,05-0,15 Mieszane Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Słabe Niezalecane 10-9 do 10-12 (spalanie stechiometryczne) 0,10-0,20 Spinel FeCr2O4 + ulatnianie się 0,30-1,00 Bardzo słabe Niedopuszczalne
10-12 do 10-15 (bogate spalanie) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetyt) 1,00-3,00 Bardzo słaba (odpryski) Niedopuszczalna<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5,00 Brak-ochrony Niedopuszczalny
Wpływ siarki paliwowej i innych produktów spalania

Oprócz tlenu i pary wodnej gazy spalinowe pochodzące z paliw kopalnych zawierają dwutlenek siarki (SO2) i metale śladowe, które katalizują utlenianie 316. Cr₂O₃ oddziałuje z SO₂, tworząc siarczki chromu, które rozkładają kamień ochronny i prowadzą do utleniania rozrywającego. Dla 316 w temperaturze 600 stopni stopień utleniania jest podwojony przy stężeniu siarki w paliwie większym niż 50 ppm (co odpowiada około 100 ppm SO 2 w spalinach). W przypadku paliw zawierających siarkę przekraczającą 500 ppm (np. olej opałowy o wysokiej zawartości siarki lub węgiel) 316 nie jest zalecany dla temperatur płaszcza powyżej 500oC. Gazy spalinowe zawierające chlor (ze spalania chlorowanych tworzyw sztucznych lub niektórych odpadów) są jeszcze bardziej agresywne i wytwarzają lotne chlorki metali w tempie 10–100 razy większym niż korozja tlenkowa. Analiza składu paliwa jest wymagana w każdym zastosowaniu, w którym osłony 316 są narażone na działanie gazów spalinowych.

Praktyczna specyfikacja stosowania grzejników spalinowych

Poniższe parametry dotyczą grzejników płaszczowych 316 w środowisku gazów spalinowych przy temperaturze płaszcza 600 stopni, aby zapewnić wytworzenie kamienia ochronnego i akceptowalną szybkość wzrostu tlenku. Spalanie musi odbywać się z nadmiarem powietrza (warunki utleniające, pO2 > 0,01 atm), aby zachować skalę Cr2O3 – wbrew powszechnemu przekonaniu, że atmosfery redukujące są mniej korozyjne. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej musi być utrzymywane poniżej 0,15 atm (15% wilgoci objętościowo). Można tego dokonać poprzez wstępne{{11}osuszenie powietrza do spalania lub użycie paliwa o niskiej zawartości wodoru. Paliwo powinno mieć stężenie siarki niższe niż 0,05% (500 ppm), a najlepiej niższe niż 0,01% (100 ppm). Jeśli którykolwiek z tych parametrów nie może zostać osiągnięty, materiał osłony należy wymienić na stal nierdzewną 310 (25Cr-20Ni) lub Inconel 600, które charakteryzują się większą tolerancją na obniżone pO2 i wyższą parę wodną.

Diagnostyka terenowa uszkodzeń utleniania wywołanych pO2

Morfologia skali w przypadku awarii osłon 316 w przypadku gazów spalinowych pozwala na rozróżnienie przyczyn związanych z ciśnieniem parcjalnym tlenu. W warunkach utleniających (nadmiar powietrza) kamień jest cienki (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), czarne, warstwowe i często wykazują obszary odpryskiwane w warunkach stechiometrycznych lub nieznacznie redukujących. Łuska jest ciemnoszara, porowata, nieprzylegająca i zawiera wustyt (FeO), jak określono metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich w warunkach silnie redukujących. Atak generowany przez siarkę skutkuje powstaniem mikrostruktury charakterystycznej dla skali zwanej „wzdłużnikiem siarczkowym”. Jeśli w grzejniku występuje duży kamień i odpryski, należy zmienić środowisko spalania, aby zapewnić więcej dodatkowego powietrza, lub grzejnik należy przenieść poza strefę szczytowego- niedoboru tlenu.

Wniosek: Utrzymanie warunków utleniających zapewniających długowieczność grzejnika spalinowego 316

Zasadnicze pO 2 do wytworzenia ochronnego kamienia Cr 2 O 3 na grzejnikach w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w temperaturze 600 stopni w atmosferze gazów spalinowych wynosi powyżej około 10-2 atm (2% objętościowego tlenu). Spalanie stechiometryczne lub lekko{11}}bogate w paliwo (pO2=10-9 do 10–12 atm) prowadzi do szybkiego i niechroniącego tworzenia się tlenków oraz lotności kamienia, a także skraca żywotność grzejnika z 20 000 godzin do 500–2000 godzin. Inżynierowie wybierający osłony 316 do grzejników opalanych lub zastosowań w układach wydechowych muszą upewnić się, że spalanie przebiega w nadmiarze powietrza (minimum 3-5% O₂ w spalinach) i że zawartość siarki w paliwie jest regulowana. Ramy te łączą ciśnienie cząstkowe tlenu z mierzalnymi szybkościami utleniania. Umożliwia nabywcom wybór warunków spalania, które chronią ochronny kamień tlenku chromu na osłonach grzejnika 316 i pozwalają uniknąć odrywającego się utleniania i przedwczesnej awarii.