Quale flusso di calore massimo consentito a una temperatura della guaina di 400 gradi nell'aria previene l'eccessiva scheggiatura dell'ossido e la perdita di metallo dai tubi riscaldanti in acciaio inossidabile 316 dopo 10.000 ore

Il flusso di calore-regime di ossidazione limitato per l'esposizione all'aria-a lungo termine

Per i tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316 utilizzati a una temperatura della guaina nell'aria di 400 gradi, una situazione comune per riscaldatori d'aria industriali, forni e riscaldatori per condotti, il flusso di calore applicato (W/cm2) controlla sia il ritmo di crescita dell'ossido che la tendenza alla scheggiatura delle incrostazioni. Sebbene la temperatura di picco della guaina sia spesso la principale limitazione di progettazione, il flusso di calore determina in modo indipendente il gradiente termico attraverso lo strato di ossido e le conseguenti sollecitazioni termiche che portano alla scheggiatura. L'ossido su 316 a 400 gradi è principalmente Cr₂O₃ con un po' di Fe₂O₃ ed è generalmente protettivo. Tuttavia, per flussi di calore superiori a 6 W/cm2, il gradiente di temperatura attraverso lo strato di ossido (di solito 10-50 µm di spessore) produce deformazioni maggiori della forza di adesione ossido-metallo e provoca scheggiature periodiche con maggiore perdita di metallo. La scheggiatura dell'ossido è trascurabile al di sotto di 3 W/cm² e la perdita di metallo lo è<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Come il flusso di calore provoca la scheggiatura dell'ossido

Quando una guaina 316 è esposta all'aria a una temperatura superficiale di 400 gradi, la scaglia di ossido aumenta a una velocità dipendente dalla temperatura superficiale e dal tempo. Tuttavia, il flusso di calore (la velocità di trasmissione del calore attraverso la parete della guaina) provoca una differenza di temperatura attraverso il contatto metallico dell'ossido-. La superficie esterna dello strato di ossido è alla temperatura nominale della guaina (400 gradi) e il contatto metallico dell'ossido- è leggermente più freddo a causa della resistenza termica dell'ossido. La dimensione del gradiente è proporzionale allo strato di ossido e alla sua conduttività termica (~3–5 W/m·K per Cr2O3). A flussi di calore bassi (<3 W/cm^2), the temperature drop over a 20 μm oxide layer is less than 1°C and thermal strains are insignificant. At strong heat fluxes (>6-8 W/cm2), il calo di temperatura può essere di 5-15 gradi, in modo tale che l'ossido sia sottoposto a stress di compressione mentre cresce. Quando viene raffreddato (il riscaldatore si spegne), l'ossido si restringe più del metallo (differenti coefficienti di espansione termica) causando deformazioni di trazione che inducono scheggiature.

Quantificazione del flusso di calore e della scheggiatura degli ossidi a 400 oC

I test di ossidazione ciclica (10.000 ore totali, cicli di 1 ora a temperatura, 30 minuti di raffreddamento con aria forzata a 100 gradi) di tubi in acciaio inossidabile 316 a una temperatura della guaina di 400 gradi con flussi di calore variabili (controllati dalla variazione dello spessore della parete e della temperatura interna del filo) hanno stabilito i seguenti tassi di scheggiatura e perdita di metallo.

Flusso di calore (W/cm 2 ) Spessore dell'ossido dopo 10.000 ore (μm) Insorgenza della scheggiatura (cicli fino alla prima scheggiatura)Eventi di scheggiatura / 1.000 cicli Perdita totale di metallo (μm) Dopo 10.000 ore Spessore rimanente della parete (da 1,5 mm iniziale, µm) Consigliato per 10.000 ore di servizio<2 8-12 >10.000 (nessuna scheggiatura) 0 2-5 1,495-1.498 Sì 2-3 10-15 5,000-10.000<1 5-10 1,490-1,495 Yes 3-4 12-18 2,000-5,000 1-3 10-20 1,480-1,490 Acceptable 4-5 15-22 1,000-2,000 3-8 20-35 1,465-1,480 Marginal 5-6 18-25 500-1,000 8-15 35-60 1,440-1,465 Not recommended for long life
6-8 25-35 200-500 15-30 60-100 1,400-1.440 Inaccettabile
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Influenza dello spessore della guaina sul flusso termico consentito

A parità di potenza erogata, il flusso di calore è minore se le pareti sono più spesse, perché la superficie esterna è maggiore. Per due riscaldatori con la stessa potenza, una guaina più spessa (diametro esterno maggiore) ha un flusso di calore inferiore. La tabella seguente illustra il flusso termico massimo consentito per diversi spessori di parete per una durata di 10.000 ore con<20 μm metal loss.

Diametro esterno guaina (mm) Spessore parete (mm) Diametro max. Potenza per 10.000 ore di vita a 400 gradi (equivalente in W/cm²) Flusso di calore massimo (W/cm²) per<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm lunghezza 4,0 Riscaldatori compatti e a bassa-potenza
10.0 1.2 70 W/cm di lunghezza 4,5 Uso generale 10.0 1.5 85 W/cm di lunghezza 5,0 Standard industriale 12.0 1.5 100 W/cm di lunghezza 5,5 Potenza moderata
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Alta potenza, lunga durata
14.0 2.0 150 W per cm di lunghezza 6,5 ​​Durata di vita estesa
200 W per cm di lunghezza 7,0 Durata massima (con aggiornamento in lega) 16.0 2.5
Linee guida di progettazione per riscaldatori d'aria a 400 gradi Pratiche

Per i riscaldatori d'aria rivestiti in acciaio 316 che funzionano a una temperatura della guaina di 400 gradi, le seguenti limitazioni del flusso di calore si tradurranno in una durata di servizio di 10 000 ore con una perdita di metallo accettabile.

Vita utile desiderata (ore) Flusso termico massimo (W/cm2) Perdita di metallo (μm) Dimensioni guaina consigliate 5.000<8 60-100 Standard 10 mm OD x 1.5 mm wall 10,000 <5 20-35 Larger diameter or lower wattage
20,000 <3.5 10-15 mm OD, 2.0 mm wall
40,000 <2.5 5-8 16 mm OD, 2.5 mm wall (or upgrade to 310)
Diagnosi sul campo della scheggiatura dovuta al flusso di calore

La scheggiatura dell'ossido dovuta all'elevato flusso di calore provoca un caratteristico irruvidimento e assottigliamento della superficie di un riscaldatore 316 che funziona per 5.000-10.000 ore in aria a 400 gradi. L'ossido sulla guaina non è uno strato continuo, ma una spessa scaglia spezzata intervallata da metallo esposto dove recentemente si è verificata la scheggiatura. Le parti scheggiate possono presentare depressioni circolari superficiali nella superficie metallica. Il diametro della guaina verrà misurato con un micrometro per dimostrare riduzioni locali da 0,1 a 0,3 mm rispetto alla dimensione originale. Per tali riscaldatori, una riduzione del 30-40% del flusso di calore (aumentando la superficie o riducendo la potenza) estenderà la durata fino alle 10.000 ore previste.

Conclusioni: definizione dei limiti del flusso di calore per generatori d'aria lunghi

Per i riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 con funzionamento ad aria a 400 gradi, il flusso di calore massimo consentito per 10.000 ore di vita con una perdita di metallo di<20 µm is about 5 W/cm^2. Oxide spalling is common at heat fluxes > 6-8 W/cm2, and metal loss accelerates to 60-100 µm in 10,000 hours - enough to jeopardise a 1.5 mm wall in 20,000-30,000 hours. The heat flux shall not be greater than 5 W/cm2 for 10,000 hours service. The engineers selecting 316 air heaters shall determine the heat flux from the wattage and sheath surface area. For higher heat fluxes one needs larger diameter sheaths or lower wattages. The methodology given here correlates heat flux to measurable oxide spalling rates and overall metal loss, allowing buyers to specify 316 sheaths that retain their wall thickness and integrity over the design life in air heating service at 400°C.