في أي مجموعة محددة من تردد الدورة الحرارية ودرجة حرارة الذروة، يقوم غمد من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1.0 ملم 316 بتطوير تشظي الأكسيد الذي يسرع من ترقق الجدار الموحد في خدمة تسخين الهواء الدوري؟

بالنسبة للمهندسين الذين يقومون ببناء سخانات غاطسة كهربائية للأفران الصناعية، وسخانات مجاري الهواء، وغرف الدراجات الحرارية، فإن إنتاج وتشظي مقياس الأكسيد على سطح غلاف الفولاذ المقاوم للصدأ 316 هو آلية تقدمية ولكن يمكن التنبؤ بها لترقق الجدار. عندما يؤدي التنقر أو التآكل النشط إلى فشل موضعي، فإن تشظي الأكسيد يعزز الفقد المتجانس للمادة على السطح الساخن بأكمله. تضع كل دورة حرارية طبقة صغيرة من أكسيد الكروم الغني. في نهاية المطاف سوف تصبح طبقة الأكسيد سميكة للغاية وسوف تتفكك. وذلك لأن طبقة الأكسيد لها تمدد حراري مختلف عن المعدن، وطبقة الأكسيد تتشقق وتتقشر مما يعرض المعدن الجديد للأكسدة. تكون هذه العملية حساسة بشكل خاص للغلاف الذي يبلغ سمك جداره 1.0 مم، نظرًا لأن التخفيف البسيط الموحد يمكن أن يقلل بشكل كبير من السلامة الهيكلية. تحدد هذه الورقة الظروف الدقيقة لتردد الدورة الحرارية ودرجة حرارة الذروة التي يتسارع فيها تشظي الأكسيد إلى درجة تقليل عمر الغلاف إلى مستويات غير مقبولة للعمليات الصناعية.

حركية نمو الأكسيد والتشظي على الفولاذ المقاوم للصدأ 316L
تتبع حركية الأكسدة للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في الهواء قانون القطع المكافئ: يزداد سمك الأكسيد مع الجذر التربيعي للوقت عند درجة الحرارة. عند 600 درجة مئوية، يبلغ سمك الأكسيد حوالي 2 ميكرون بعد 100 ساعة وحوالي 5 ميكرون بعد 1000 ساعة. ويتم الوصول إلى نفس السماكة بعد 20 ساعة و200 ساعة، على التوالي، عند 700 درجة مئوية. عند 800 درجة مئوية، يصل أكسيد إلى 5 ميكرون في 50 ساعة. إن سمك الأكسيد الحرج للتشظي أثناء التدوير الحراري هو دالة على اختلاف درجة الحرارة لكل دورة. بالنسبة لتقلبات درجة الحرارة بمقدار 500 درجة مئوية (على سبيل المثال، 200 درجة مئوية إلى 700 درجة مئوية)، يبدأ التشظي في الحدوث عندما يكون سمك الأكسيد حوالي 3-4 ميكرون. بالنسبة للتأرجح بمقدار 700 درجة مئوية (على سبيل المثال، من 100 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية) يبدأ التشظي عند 2-3 ميكرون. يزيل كل حدث تشظي 1-3 ميكرون من المعدن من سطح الغلاف، نظرًا لأن طبقة الأكسيد تحتوي على معدن من الركيزة. يمكن أن يفقد الغلاف الذي يبلغ قطره 1.0 مم والذي يتعرض لـ 100 حدث تشظي 0.1-0.3 مم من سمك الجدار بما يعادل 10-30% من المادة الأولية. في الخدمة الدورية مع التشظي في 100-500 دورة، قد يصل الغلاف 1.0 مم إلى الحد الأدنى من السمك الهيكلي (0.5 مم) بعد 500-2000 دورة، أي . 1-5 سنة من الخدمة في دورة واحدة يوميًا.

العتبات الحرجة للتشظي المتسارع في غمد 1.0 ملم يحدد اختبار الفرن الذي يتم التحكم فيه لعينات غمد 1.0 ملم 316 في ظل إعدادات تسخين الهواء الدورية عتبات معينة يتسارع عندها التشظي إلى معدلات غير مقبولة. غير مقبول: ترقق الجدار بشكل ثابت > 0.05 مم لكل 1000 دورة. (وهذا من شأنه أن يخفض غمد 1.0 ملم إلى 0.7 ملم بعد 6000 دورة، أي حوالي 5 سنوات بمعدل 3 دورات في اليوم).

ذروة دورة درجة الحرارة تأرجح درجة الحرارة لكل دورة دورات إلى التشظية الأولى سمك الأكسيد عند التشظي ترقق الجدار لكل تشظية دورات حدث إلى 0.7 مم الجدار المتبقي (خسارة 30%) 500 درجة 400 درجة (100 درجة إلى 500 درجة ) 2,000 – 3,000 5 – 6 ميكرون 1 – 2 ميكرون 15,000 – 30,000 600 درجة 500 درجة (100 درجة إلى 600 درجة ) 500 – 800 4 – 5 ميكرون 2 – 3 ميكرون 3,000 – 6,000 650 درجة 550 درجة (100 درجة إلى 650 درجة ) 200 – 400 3 – 4 ميكرون 2 – 4 ميكرون 1,500 – 3,000 700 درجة 600 درجة (100 درجة إلى 700 درجة ) 100 – 200 3 – 4 ميكرون 3 – 5 ميكرون 800 – 1,500 750 درجة 650 درجة (100 درجة إلى 750 درجة ) 50 – 100 2 – 3 ميكرون 4 – 6 ميكرون 400 – 800 800 درجة 700 درجة (100 درجة إلى 800 درجة ) 20 – 50 2 – 3 ميكرون 5 – 8 ميكرون 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 >تأرجح 300 درجة. فوق هذه العتبة، يفقد الغلاف الذي يبلغ سمكه 1.0 مم المادة بمعدل أسرع مما يتوقعه معظم المستخدمين الصناعيين.

مظروف تشغيل آمن بغلاف مقاس 1.0 مم في الخدمة الجوية الدورية
يرد في الجدول أدناه غلاف التشغيل الآمن لغمد 1.0 مم 316 لواجب تسخين الهواء الدوري. الأساس هو ترقق الجدار المسموح به بأقل من 0.03 ملم لكل 1000 دورة (0.1 ملم كل 3000 دورة أو حوالي 10% خسارة على مدى 5 سنوات بمعدل دورتين يوميًا).

ذروة درجة حرارة سطح الغمد ماكس. الدورات الموصى بها في اليوم كحد أقصى. إجمالي الدورات الموصى بها على مدى عمر الخدمة المتوقع ترقق الجدار بعد الحد الأقصى. الدورات الموصى بها الإجراء خارج هذه الحدود
حتى 500 درجة مئوية 10 50,000 أقل من 0.05 مم 316 مقبول؛ أي تردد دورة 500 – 550 درجة مئوية 5 25، 000 0.05 – 0.10 مم مقبول لمعظم الخدمات الصناعية
550 – 600 درجة مئوية 3 15,000 0.10 – 0.15 ملم سمك جدار المراقبة بشكل دوري 600 – 650 درجة مئوية 2 10,000 0.15 – 0.25 ملم خذ بعين الاعتبار Incoloy 800H لعمر أطول 650 – 700 درجة مئوية 1 5,000 0.20 – 0.35 ملم 316 هامشي; يوصى بالترقية 700 – 750 درجة مئوية 0.5 2، 500 0.30 – 0.50 ملم 316 غير مستحسن
>750 درجة مئوية لا ينصح به لا ينطبق التشظي السريع سخان السيراميك أو Incoloy 800H
يوفر Incoloy 800H مقاومة أعلى للأكسدة حيث تتطلب التطبيقات درجات حرارة غمد قصوى تتجاوز 650 درجة مئوية وأكثر من دورتين في اليوم. تخلق السبيكة أكسيدًا أبطأ نموًا وأكثر التصاقًا، ويتناثر بسماكة أكبر بكثير (10-15 ميكرون) ودرجات حرارة (أكثر من 850 درجة مئوية). على سبيل المثال، سيخضع غلاف Incoloy 800H مقاس 1.0 مم عند درجة حرارة 750 درجة مئوية مع 5 دورات/اليوم إلى ترقق الجدار<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

تغييرات في التصميم لتقليل التشظي في الأغلفة ذات الجدران الرقيقة-.
يمكن أن تؤدي ثلاثة تغييرات في التصميم إلى خفض معدلات التشظي عندما يتعين تشغيل غمد 316 بقطر 1.0 مم في خدمة الهواء الدوري بالقرب من الحدود الموصى بها أو خارجها. الأول هو استخدام معالجة ما قبل الأكسدة-. يؤدي تشغيل المدفأة عند درجة الحرارة القصوى لمدة 100-200 ساعة قبل التشغيل الدوري إلى أكسيد أكثر سمكًا وأكثر التصاقًا وأقل عرضة للتشقق من الأكسيد الرقيق الذي يتشكل خلال الدورات المبكرة. التغيير الثاني هو إبطاء معدل التبريد. التبريد السريع من 700 درجة إلى درجة حرارة الغرفة يسبب صدمة حرارية وتشظي. لا تستخدم تبريد الهواء القسري. يتم تقليل التشظي بنسبة 30-50% مع التبريد الطبيعي في الهواء الساكن. التغيير النهائي هو تلميع سطح الغلاف إلى لمعان مرآة أقل من 0.2 ميكرون Ra. تؤدي الأسطح الأكثر نعومة إلى -أكاسيد حبيبية أكثر دقة وأكثر التصاقًا من الأكاسيد التي تم تطويرها على الأسطح الخشنة-المتعرجة. تكون معدلات التشظي للأغماد 316 المصقولة كهربائيًا أقل بنسبة 40-60% من الأغماد المتأرجحة في نفس ظروف الدورة. بالنسبة لمعظم تطبيقات تسخين الهواء الصناعي التي تقل عن 650 درجة مئوية، يوفر الغلاف 1.0 مم 316 عمر خدمة مُرضيًا يتراوح من 5 إلى 10 سنوات مع ترددات دورة مقبولة. فوق 650 درجة مئوية، يجب قبول تقليل العمر الافتراضي، أو تقليل تردد الدورة، أو استخدام سبيكة أكثر مقاومة للأكسدة. عند تحديد سخانات لخدمة الهواء الدوري، اذكر دائمًا درجة حرارة الغلاف القصوى المتوقعة وتكرار الدورة وعمر الخدمة المخطط له. الشركة المصنعة التي تقترح 316 لخدمة 750C دون ذكر التشظي وتخفيف الجدار لا تقدم مشورة هندسية كاملة. يمكن التنبؤ بالفقدان الموحد لسمك الجدار بسبب تشظي الأكسيد والتحكم فيه، ولكن يجب أخذه في الاعتبار عند تنبؤات مدة الخدمة، خاصة بالنسبة لأغلفة الجدران الرقيقة حيث يتم احتساب كل ميكرون من المواد المفقودة.