Aký kritický parciálny tlak kyslíka v spaľovacích plynoch pri teplote plášťa 600 stupňov zabraňuje zrýchlenej oxidácii 316 vykurovacích rúrok z nehrdzavejúcej ocele

Limit oxidačného potenciálu pre tvorbu ochranného vodného kameňa

V prípade elektrických vykurovacích rúrok 316 s plášťom z nehrdzavejúcej ocele v prostrediach spaľovacích plynov, ako sú potrubné ohrievače, atmosféra pece alebo systémy recirkulácie výfukových plynov, parciálny tlak kyslíka (pO2) v okolitom plyne určí, či plášť vytvára ochrannú vrstvu oxidu chrómu alebo či dochádza k zrýchlenej oxidácii (úlomkovej oxidácii) v dôsledku prchavosti alebo nestability vodného kameňa. Ako funkcia vodnej pary a iných reaktívnych látok je kritický pO2 pre stabilnú stupnicu Cr2O3 pri vysokých teplotách plášťa (600 °C, reprezentatívne pre aplikácie ohrevu vzduchu, ale na najvyššej úrovni pre 316) rádovo 10-10 až 10{13}}15 atm. Ak hladina kyslíka klesne pod túto hranicu, oxid chrómu sa zníži a oxidy železa vytvoria rýchlo sa rozvíjajúcu ne-ochrannú vrstvu. Nad touto hranicou (prostredie bohaté na kyslík, ako je vzduch pri 0,21 atm pO2) sa vytvorí tenká priľnavá vrstva Cr2O3, ktorá poskytuje dlhodobú ochranu. Ale pri príliš veľkom parciálnom tlaku kyslíka sa v prchavých oxyhydroxidoch chrómu môže vytvárať vodná para, čo znižuje hrúbku vodného kameňa. V tejto štúdii je kvantifikované bezpečné okno pO2 pre 316 plášťov pri 600 stupňoch a sú poskytnuté kritériá spaľovacieho prostredia na predĺženie životnosti ohrievača.

Mechanizmus stability a prchavosti oxidu chrómu

Ochranný povlak na nerezovej oceli 316 pri vysokej teplote je väčšinou Cr 2 O 3, ktorý vzniká selektívnou oxidáciou chrómu. Pre stabilitu Cr2O3 musí byť parciálny tlak okolitého kyslíka vyšší ako disociačný tlak oxidu chrómu pri príslušnej teplote. Disociačný tlak Cr203 (pO2, pri ktorom sa Cr203 rozkladá na kovový Cr a O2) je ~10-10-26 atm pri 600 stupňoch, čo je výrazne pod úrovňou kyslíka normálnych spaľovacích plynov. V prítomnosti vodnej pary sa však Cr2O3 premieňa na prchavú formu oxyhydroxidu chrómu: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Táto reakcia eliminuje ochrannú vrstvu rýchlosťou v závislosti od pO2 a pH2O. Maximálna volatilita nastáva pri pO2 v približnom rozsahu 10-10-10-12 atm, a nie pri veľmi vysokom alebo veľmi nízkom pO2. To naznačuje, že mierne chudobné (s nedostatkom kyslíka) spaľovacie atmosféry sú v skutočnosti korozívnejšie pre 316 ako buď plne oxidujúce (vzduch) alebo podstatne redukujúce atmosféry.

Kvantitatívne okienka pO₂ pre tvorbu ochranného vodného kameňa pri 600 stupňoch

Rýchlosť oxidácie nehrdzavejúcej ocele 316 ako funkcia parciálneho tlaku kyslíka bola stanovená kontrolovaným termogravimetrickým testovaním pri 600 stupňoch v kombináciách plynov rôznych pO2 a pH20.

Parciálny tlak kyslíka (atm) Parciálny tlak vodnej pary (atm) Rýchlosť oxidácie vytvorená stupnica (mg/cm2-h) po 500 hodinách Priľnavosť stupnice Odporúčaná pre 600 stupňovú prevádzku 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 volatilizácia, riedenie 0,05-0,10 Mierna hraničná
10-5 až 10-8 (chudé spaľovanie) 0,05-0,15 Zmiešaný Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Slabé Neodporúča sa 10-9 až 10-12 (stechiometrické spaľovanie) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinel + prchavosť 0,30-1,0 Veľmi slabé
10-12 až 10-15 (bohaté spaľovanie) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1,00-3,00 Veľmi slabé (odrezky) Neprijateľné<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Ne-ochranné Neprijateľné
Vplyv síry paliva a iných produktov spaľovania

Okrem kyslíka a vodnej pary obsahujú spaľovacie plyny pochádzajúce z fosílnych palív oxid siričitý (SO2) a stopové kovy, ktoré katalyzujú oxidáciu 316. Cr2O3 interaguje s SO₂ za vzniku sulfidov chrómu, ktoré narúšajú ochrannú vrstvu a vedú k odtrhávacej oxidácii. Pre 316 pri 600 stupňoch sa rýchlosť oxidácie zdvojnásobí koncentráciou síry v palive vyššou ako 50 ppm (čo zodpovedá približne 100 ppm S02 v spalinách). Pre palivá so sírou presahujúcou 500 ppm (napr. palivový olej s vysokým -sírou alebo uhlie) sa 316 neodporúča pre teploty plášťa nad 500 °C. Spaliny obsahujúce chlór (zo spaľovania chlórovaných plastov alebo niektorých odpadov) sú ešte agresívnejšie a produkujú prchavé chloridy kovov v množstve 10 až 100-krát rýchlejšie ako korózia na báze oxidov. Analýza zloženia paliva sa vyžaduje pre každú aplikáciu, kde je 316 plášťov vystavených nárazom spaľovacích plynov.

Praktická špecifikácia pre použitie spaľovacích ohrievačov

Nasledujúce parametre sú pre 316 plášťových ohrievačov v prostredí spaľovacích plynov pri teplote plášťa 600 stupňov, aby sa zabezpečila produkcia ochrannej stupnice a prijateľné rýchlosti rastu oxidov. Spaľovanie sa musí vykonávať s prebytočným vzduchom (oxidačné okolnosti, pO2 > 0,01 atm), aby sa zachovala stupnica Cr2O3 – v rozpore so zvyčajným názorom, že redukčné atmosféry sú menej korozívne. Parciálny tlak vodnej pary sa musí udržiavať pod 0,15 atm (15 % objemovej vlhkosti). Dá sa to urobiť predsušením spaľovacieho vzduchu alebo použitím paliva s nízkym obsahom vodíka. Palivo by malo mať koncentráciu síry nižšiu ako 0,05 % (500 ppm) a ideálne nižšiu ako 0,01 % (100 ppm). Ak niektorý z týchto parametrov nie je možné dosiahnuť, materiál plášťa by sa mal aktualizovať na nehrdzavejúcu oceľ 310 (25Cr-20Ni) alebo Inconel 600, ktoré majú väčšiu toleranciu voči zníženému pO2 a vyššej vodnej pare.

Terénna diagnostika oxidačného zlyhania vyvolaného pO2

Morfológia stupnice pre 316 plášťov zlyhaných v prevádzke spaľovacích plynov rozlišuje medzi príčinami spojenými s parciálnym tlakom kyslíka. V oxidačných podmienkach (nadbytok vzduchu) je vodný kameň tenký (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), čierny, vrstvený a často vykazuje odlúpnuté oblasti za stechiometrických alebo mierne redukujúcich okolností. Stupnica je tmavošedá, porézna, nepriľnavá a obsahuje wustite (FeO), ako sa určilo pomocou rôntgenovej difrakcie za výrazne redukujúcich okolností. Útok generovaný sírou má za následok mikroštruktúru charakteristickú pre stupnicu, ktorá je známa ako "sulfidový reťazec". Ak má ohrievač veľké množstvo vodného kameňa a odlupuje sa, prostredie spaľovania by sa malo zmeniť tak, aby poskytovalo viac vzduchu navyše, alebo by sa ohrievač mal premiestniť zo zóny s maximálnym{5}}hladom kyslíka.

Záver: Udržiavanie oxidačných podmienok pre životnosť spaľovacieho ohrievača 316

Základný pO 2 na výrobu ochranného vodného kameňa Cr 2 O 3 na ohrievačoch z nehrdzavejúcej ocele 316 pri 600 stupňoch v atmosfére spalín je nad približne 10-2 atm (2 % objemu kyslíka). Stechiometrické alebo mierne na palivo bohaté spaľovanie- (pO2=10-9 do 10 – 12 atm) vedie k rýchlemu a neochrannému vývoju oxidov a prchavosti vodného kameňa a znižuje životnosť ohrievača z 20 000 hodín na 500 – 2 000 hodín. Technici, ktorí špecifikujú 316 plášťov pre vykurovacie telesá alebo výfukové aplikácie, musia zabezpečiť, aby spaľovanie prebiehalo v prebytočnom vzduchu (minimálne 3-5 % O₂ v spalinách) a aby bol obsah síry v palive regulovaný. Tento rámec spája parciálny tlak kyslíka s merateľnými rýchlosťami oxidácie. Zákazníkom umožňuje vybrať si podmienky spaľovania, ktoré zachovávajú ochrannú vrstvu oxidu chrómu na 316 plášťoch ohrievača a zabraňujú odtrhnutiu oxidácie a predčasnému zlyhaniu.