При каква конкретна комбинация от честота на термичния цикъл и пикова температура на обвивката 2,5-милиметрова обвивка от неръждаема стомана 316 изпитва ексфолиране на оксид, което намалява дебелината на стената под 2,0 милиметра в рамките на една година при обслужване на цикличен паропрегревател?

Комбинацията от високотемпературна пара и циклична работа създава уникална окислителна среда между електрическия паропрегревател на инженера на електроцентралата и обвивките от неръждаема стомана 316 на специалиста по промишлени котли. За разлика от въздушното нагряване, където оксидните люспи се натрупват с относително бавни темпове, парата ускорява окисляването, тъй като водните пари дифундират през оксидния слой и реагират с метала отдолу. Разцепването на оксидни люспи при топлинен цикъл е особено проблематично за обвивки с дебели-стени. Натрупването-от оксид става достатъчно плътно, за да се разпадне, отнасяйки със себе си неблагороден метал с всяко ексфолиране. За обслужване на прегревател дебелината на стената понякога се определя като 2,5 mm, за да се даде възможност за устойчивост на пълзене и корозия. Въпреки това, за някои комбинации от пикова температура и честота на цикъла, ексфолирането на оксид може да ерозира 0,5 mm дебелина на стената за една година и следователно да компрометира механичната цялост. Този документ установява специфични граници за неприемливи скорости на ексфолиране за 2,5 mm 316 обвивка при циклично използване на пара.

Механизми на парно окисляване и разслояване в неръждаема стомана 316
В прегрята пара при температури, надвишаващи 550°C, неръждаемата стомана 316 развива дуплексна оксидна нагар с външен магнетитен (Fe3O4) слой и вътрешен богат на хром -шпинелов слой. Скоростта на окисление следва параболичен закон; добавянето на пара обаче повишава скоростта със съотношение 2-5 в сравнение с въздуха при същата температура. Обвивка 316 отглежда ~10 микрона оксид в пара след 1000 часа при 600°C. При 650 градуса дебелината е 25 микрона. 700°C, 60 микрона. Оксидът е по-голям от 120 микрона при 750°C след 1000 часа. Разпадането на оксида по време на охлаждане се дължи на нарастването на оксидния слой над критичната дебелина и несъответствието на топлинното разширение на оксида и метала. Основната дебелина за ексфолиране на оксидите, образувани в парата, е около 30-50 микрона. Всеки път, когато оксидният слой се отстранява, се отстранява и малко покритие от неблагороден метал (2-5 микрона в повечето случаи). След 1000 часа кумулативно излагане на обвивка от 0,25 mm при 700°C със 100 термични цикъла всяка година, оксидът ще нарасне до 60 микрона и ще настъпи ексфолиране. Ако ексфолирането се извършва на всеки 1000 часа и всеки път отнема 4 микрона метал, годишната загуба на стената ще бъде около 0,035 mm - незначителна. Ексфолирането обаче може да се появи по-често при по-високи температури и/или по-чести цикли, което ускорява разграждането на стените.

Критични прагове за ускорено ексфолиране на обвивката в 2,5 мм
Тестовете за циклично контролирано парно окисление на проби от обвивка 2,5 mm 316 показаха точните граници, отвъд които загубата на стена би била по-голяма от 0,5 mm на година – точката, в която обвивка от 2,5 mm ще бъде намалена до 2,0 mm за 12 месеца.

Максимална температура на обвивката Часове до първо ексфолиране, кумулативна дебелина на оксида при ексфолиране Загуба на метал за ексфолиращо събитие Брой цикли на година за годишна загуба над 0,5 mm Доминиращ механизъм на повреда 550°C 8 000 – 10 000 часа 25 – 30 микрона 2 – 3 микрона Не е възможно по-долу 2000 цикъла/година Ексфолирането не е значително 600 градуса 2000 – 3000 часа 35 – 45 микрона 3 – 5 микрона Над 500 цикъла/година Маргинален риск 650 градуса 500 – 800 часа 50 – 70 микрона 4 – 6 микрона Над 150 цикъла/година Умерен риск 700 градуса 150 – 250 часа 80 – 120 микрона 5 – 8 микрона Над 50 цикъла/година Висок риск 750 градуса 50 – 100 часа 150 – 200 микрона 8 – 12 микрона Над 20 цикъла/година Силно ексфолиране 800 градуса 20 – 40 часа 250 – 350 микрона 12 – 20 микрона Над 10 цикъла/година Бърза загуба на стени
За прегревател при 700°C пикова температура на обвивката и 100 цикъла на година (приблизително 2 цикъла на седмица), годишната загуба на стена ще бъде 100 цикъла, разделена на 200 цикъла между събитията на ексфолиране (средната точка от 150–250 часа при 24 часа на цикъл е приблизително 6–10 цикъла на събитие). Годишната загуба на стени е 0,05–0,12 mm, много под 0,5 mm, с 10–15 случая на ексфолиране/годишно и 5–8 микрона загуба/събитие. При 700 градуса с 300 цикъла на година (около 6 цикъла на седмица), годишната загуба е 0,15–0,36 mm, приближавайки се до границата. При 750 градуса със 100 цикъла/година годишната загуба е 0,5–1,2 mm, което е над прага. Следователно важната комбинация за неприемлива загуба на стена е пикова температура, по-висока от 730°C, с повече от 100 цикъла/година, или пикова температура, по-висока от 700°C, с повече от 300 цикъла/година.

Безопасна работна обвивка от 2,5 милиметрова обвивка в услуга Steam
Следващата таблица показва максималния препоръчителен брой цикли на година за 2,5 mm 316 обвивка в режим на цикличен паропрегревател, за да се поддържа годишната загуба на стената под 0,2 mm (по-малко от 10% от дебелината на стената на година).

Пикова температура на обвивката Максимални препоръчителни цикли на година Очаквана годишна загуба на стени при максимални цикли Очакван експлоатационен живот до 2,0 mm Оставаща стена Препоръчително действие Над границите До 600 градуса 1000 Под 0,05 mm Над 10 години 316 приемливо 600 – 650 градуса 500 0.05 – 0,10 mm 8 – 10 години Приемливо за повечето услуги 650 – 680 градуса 250 0.10 – 0,15 mm 5 – 8 години Годишно наблюдение 680 – 700 градуса 150 0.15 – 0,20 mm 4 – 6 години Помислете за надграждане на сплавта за по-дълъг живот 700 – 720 градуса 80 0.20 – 0,30 mm 3 – 4 години 316 маргинално 720 – 740 градуса 40 0.30 – 0,45 mm 2 – 3 години Препоръчва се надграждане до Incoloy 800H 740 – 760 градуса 20 0.45 – 0,70 mm 1,5 – 2 години Изисква се Incoloy 800H
Не се препоръчва Над 760 градуса Над 0,70 mm По-малко от 1,5 години Използвайте сплав на основата на никел
Incoloy 800H предлага значително по-голяма устойчивост на парно окисление от Incoloy 800 за приложения на прегреватели, когато пиковите температури на обвивката надвишават 720°C и повече от 50 цикъла на година. Сплавта произвежда по-тънък, по-прилепнал оксид, който ексфолира над 100 микрона дебелина, което води до фактор 5-10 намаление на годишната загуба на стени в сравнение с 316.

Промени в дизайна за намаляване на лющенето в обвивките с дебели-стени
Когато обвивка от 2,5 mm 316 трябва да работи близо до или над допустимите граници, три промени в дизайна могат да намалят ексфолирането, без да променят материала на обвивката. Първият е регулирани скорости на охлаждане. Охлаждането от пиковата температура до температурата на околната среда при скорости под 50°C на час минимизира термичния шок и води до по-малки, по-малко разрушителни отломки. Втората промяна е предварително -окисляване на повърхността на обвивката преди циклично обслужване. Пускането на нагревателя при пълна температура постоянно в продължение на 500–1000 часа създава по-дебел, по-стабилен оксид, който е по-малко вероятно да се ексфолира често. Трета промяна е да се поддържа минималната температура в режим на готовност на 300°C, вместо да се понижава до температурата на околната среда. Това намалява топлинното напрежение на всеки цикъл с 40-60%, следователно значително увеличава броя на циклите между епизодите на ексфолиране. За повечето приложения на паропрегреватели, обвивка от 2,5 mm 316 е приемлива за пикови температури до 680°C с допустими честоти на цикъла. Над 700 градуса инженерите трябва или да приемат експлоатационен живот от 2–4 години, или да надстроят до Incoloy 800H. Разликата в цената между 316 и Incoloy 800H за прегревател обикновено е 30-50%, но повишената дълготрайност и по-малкият шанс за блокиране на оксиди в оборудването надолу по веригата правят надграждането си струва. Когато определяте нагреватели за циклична работа с пара, винаги споменавайте прогнозираната пикова температура на обвивката, честотата на цикъла и желания експлоатационен живот. Производител, който препоръчва 316 за работа при 750°C, без да споменава ексфолирането на оксид и загубата на стени, не дава пълни инженерни съвети. Ексфолирането чрез парно окисление създава постоянна и предвидима загуба на стени, но това ще трябва да се вземе предвид при изчисленията на експлоатационния живот. Това ще бъде особено важно за обвивките с дебели стени, където ексфолирането ще премахне повече метал на събитие поради по-дебелата оксидна скала, образувана при по-висока температура.