Какво критично парциално налягане на кислорода в горивните газове при 600 градуса температура на обвивката предотвратява ускореното окисляване на нагревателни тръби от неръждаема стомана 316

Граница на окислителен потенциал за образуване на защитен котлен камък

За електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 в среди с горивни газове, като нагреватели на канали, атмосфера на пещ или системи за рециркулация на отработени газове, парциалното налягане на кислорода (pO2) в околния газ ще определи дали обвивката образува защитна скала от хромен оксид или претърпява ускорено окисляване (отцепно окисление) поради летливост или нестабилност на котления камък. Като функция на водната пара и други реактивни видове, критичният pO2 за стабилна скала на Cr2O3 при високи температури на обвивката (600 градуса C, представителни за приложения за нагряване на въздух, но в горния край за 316) е от порядъка на 10-10 до 10-15 atm. Ако нивото на кислород падне под този праг, хромният оксид намалява и железните оксиди образуват бързо развиваща се не-защитна скала. Над този праг (богата на кислород среда като въздух при 0,21 atm pO2) се развива тънък прилепнал слой Cr2O3, осигуряващ дългосрочна защита. Но при прекалено високо парциално налягане на кислорода може да се образуват водни пари в летливи хромни оксихидроксиди, което намалява дебелината на скалата. В това проучване безопасният pO2 прозорец за 316 обвивки при 600 градуса е количествено определен и са предоставени критерии за среда на горене за удължаване на живота на нагревателя.

Механизъм на стабилност и летливост на хромния оксид

Защитната скала върху неръждаема стомана 316 при висока температура е предимно Cr 2 O 3, който се образува чрез селективно окисление на хром. За стабилността на Cr2O3 парциалното парциално налягане на кислорода в околната среда трябва да бъде по-високо от налягането на дисоциация на хромния оксид при съответната температура. Налягането на дисоциация на Cr₂O₃ (pO₂, при което Cr2O3 се разлага до метални Cr и O₂) е ~10⁻²⁶ atm при 600 градуса, доста под нивата на кислород на нормалните горивни газове. Въпреки това, в присъствието на водна пара, Cr2O3 се превръща в летлива форма на хромов оксихидроксид: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Тази реакция елиминира защитната скала със скорост, зависеща от pO2 и pH2O. Максималната летливост възниква при pO2 в приблизителния диапазон 10-10-10-12 atm, а не при много високо или много ниско pO2. Това предполага, че леко бедните (с недостиг на кислород) горивни атмосфери всъщност са по-корозивни за 316, отколкото напълно окисляващите (въздух) или значително редуциращите атмосфери.

Количествено определени pO₂ прозорци за защитно образуване на котлен камък при 600 градуса

Степента на окисляване на неръждаема стомана 316 като функция на парциалното налягане на кислорода е определена чрез контролирано термогравиметрично изпитване при 600 градуса в газови комбинации от различни pO₂ и pH₂O.

Парциално налягане на кислорода (atm) Парциално налягане на водните пари (atm) Степен на окисляване на образувания котлен камък (mg/cm2-hr) след 500 часа Придържане към котлен камък Препоръчва се за обслужване при 600 градуса 0,21 (въздух)<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 Засилено изпаряване, изтъняване 0,05-0,10 Умерено Пределно
10-5 до 10-8 (бедно горене) 0,05-0,15 Смесен Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Слабо Не се препоръчва 10-9 до 10-12 (стехиометрично горене) 0,10-0,20 FeCr2O4 шпинел + изпаряване 0,30-1,00 Много лошо Неприемливо
10-12 до 10-15 (богато горене) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (магнетит) 1,00-3,00 Много лошо (откъсвания) Неприемливо<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Не-защита Неприемливо
Въздействие на сярата в горивото и други продукти от горенето

В допълнение към кислорода и водните пари, горивните газове, получени от изкопаеми горива, съдържат серен диоксид (SO2) и следи от метали, които катализират окислението 316. Cr₂O₃ взаимодейства с SO₂, за да произведе хромни сулфиди, които разрушават защитната скала и водят до отцепно окисление. За 316 при 600 градуса скоростта на окисление се удвоява от концентрация на сяра в горивото над 50 ppm (съответстващо на около 100 ppm SO 2 в димния газ). За горива със съдържание на сяра над 500 ppm (напр. мазут или въглища с високо-серно съдържание) 316 не се препоръчва за температури на обвивката над 500oC. Съдържащите хлор горивни газове (от изгаряне на хлорирани пластмаси или някои отпадъци) са още по-агресивни, произвеждайки летливи метални хлориди със скорост 10-100 пъти по-висока от корозията, базирана на оксиди. Анализът на състава на горивото е необходим за всяко приложение, при което 316 обвивки са подложени на въздействието на горивния газ.

Практическа спецификация за използване на нагреватели с изгаряне

Следващите параметри са за нагреватели с обвивка 316 в среда на горивен газ при температура на обвивката от 600 градуса, за да се гарантира производството на защитна скала и приемливи скорости на растеж на оксида. Изгарянето трябва да се извърши с излишък на въздух (окисляващи обстоятелства, pO2 > 0,01 atm), за да се запази мащабът на Cr2O3 – противно на обичайното схващане, че редуциращите атмосфери са по-малко корозивни. Парциалното налягане на водната пара трябва да се поддържа под 0,15 atm (15% влага по обем). Това може да стане чрез предварително-изсушаване на въздуха за горене или използване на гориво с ниско съдържание на водород. Горивото трябва да има концентрация на сяра под 0,05 % (500 ppm) и в идеалния случай по-ниска от 0,01 % (100 ppm). Ако някой от тези параметри не може да бъде достигнат, материалът на обвивката трябва да се надстрои до неръждаема стомана 310 (25Cr-20Ni) или Inconel 600, като и двата имат по-голяма толерантност към намален pO2 и по-високи водни пари.

Полева диагностика на недостатъчност на окислението, предизвикана от pO2

Морфологията на скалата за 316 обвивки, които се отказват при обслужването на горивния газ, разграничава причините, свързани с парциалното налягане на кислорода. При окислителни условия (излишен въздух) котленият камък е тънък (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), черен, наслоен и често показва разпръснати области при стехиометрични или леко намалени обстоятелства. Скалата е тъмно сива, пореста, незалепнала и съдържа вюстит (FeO), както е определено чрез дифракция на рентгенови лъчи при силно редуциращи обстоятелства. Атаката, генерирана от сярата, води до микроструктура, отличителна за скалата, която е известна като "сулфиден стрингер". Ако нагревателят има силен котлен камък и разцепване, средата на горене трябва да се промени, за да се осигури повече допълнителен въздух, или нагревателят трябва да бъде преместен извън зоната с пиков-кислороден глад.

Заключение: Поддържане на окислителни условия за дълголетие на горивния нагревател 316

Същественият pO 2 за производството на защитен Cr 2 O 3 котлен камък върху нагреватели с корпус от неръждаема стомана 316 при 600 градуса в газови атмосфери на горене е над около 10-2 atm (2 % кислород по обем). Стехиометричното или леко{11}}богато на гориво горене (pO2=10-9 до 10-12 atm) води до бързо и незащитно развитие на оксид и летливост на котления камък и намалява живота на нагревателя от 20 000 часа на 500-2000 часа. Инженерите, специфициращи 316 обвивки за нагреватели или изпускателни приложения, трябва да гарантират, че горенето протича в излишък на въздух (минимум 3-5% O₂ в димния газ) и че съдържанието на сяра в горивото е регулирано. Тази рамка свързва парциалното налягане на кислорода с измеримите скорости на окисление. Позволява на купувачите да изберат условия на горене, които запазват защитната скала от хромен оксид върху обвивките на нагревателя 316 и избягват окисляване при откъсване и преждевременна повреда.