Quando viene utilizzata una barra termica in titanio per surriscaldare il vapore a 250 gradi e 10 bar, qual è la massima contaminazione di ossigeno consentita nel vapore per evitare la formazione di scaglie di ossido non aderenti?

Il titanio esercita un'azione protettiva nel vapore surriscaldato a 250°C e 10 bar, formando incrostazioni di biossido di titanio (TiO2). Tuttavia, la contaminazione da ossigeno del vapore al di sopra della dissociazione tipica del vapore acqueo aumenta l'ossidazione e influenza la morfologia della scaglia. L'ossigeno in eccesso porta alla produzione di una scaglia spessa e multistrato che include TiO₂ e sub-ossidi come Ti₂O₃ e TiO. Queste incrostazioni non sono-aderenti e si sfaldano facilmente producendo scaglie di ossido che possono contaminare le apparecchiature a valle come turbine, valvole e scambiatori di calore. La contaminazione da ossigeno non deve superare le 10 parti per milione in volume (10 cm3 di O2 per m3 di vapore) per impedire lo sviluppo di scaglie di ossido non aderenti. La scala varia tra 500 e 1.000 ore di funzionamento al di sopra di questo livello.

Meccanismo di scheggiatura delle incrostazioni indotta dall'ossigeno-nel vapore surriscaldato

Reazione normale di ossidazione del vapore a 250 gradi Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Con l'ossigeno extra la reazione è Ti + O 2 → TiO 2 . Il tasso di ossidazione è proporzionale alla radice quadrata della pressione parziale dell'ossigeno. L'ossido risultante è più spesso, più poroso e contiene micro-fessure. Ciò è dovuto a stress di crescita più rapidi. La spessa scaglia porosa si scheggia facilmente durante il raffreddamento o i cicli termici a causa della mancata corrispondenza dell'espansione termica tra l'ossido e il metallo titanio. Le scaglie di ossido scheggiate vengono trasportate dal flusso di vapore e possono danneggiare le apparecchiature a valle. Le regioni scheggiate rivelano nuovo titanio che si ossida rapidamente. Ciò porta ad una crescita e sfaldamento su scala ciclica.

Aderenza e scheggiatura sulla scala quantitativa rispetto alla concentrazione di ossigeno

Le caratteristiche della scala per il titanio di grado 2 sono state sviluppate per varie quantità di contaminazione da ossigeno in test controllati in vapore surriscaldato a 250 gradi e 10 bar per 1.000 ore. Quando il contenuto di ossigeno è inferiore a 1 ppm (vapore puro), lo spessore della scaglia è di 2-5 µm, la scaglia è aderente e di colore grigio scuro e non si verificano scheggiature dopo 1000 ore. Con 1-5 ppm di ossigeno lo spessore delle incrostazioni aumenta fino a 5-10 μm. La scaglia è aderente con lievi crepe superficiali e non si osservano scaglie. A concentrazioni di ossigeno di 5-10 ppm lo spessore della scaglia è di 10-20 µm, la scaglia inizia a spaccarsi sui bordi e occasionalmente compaiono piccole scaglie inferiori a 0,1 mm, il che è adatto per la maggior parte delle applicazioni industriali. Ossigeno 10–25 ppm Spessore delle incrostazioni 20–40 µm Scheggiatura delle incrostazioni 20–40% della superficie dopo 500 ore Si sono formate scaglie 0,1–0,5 mm Questo non è appropriato per i sistemi a vapore pulito. Quando l'ossigeno è superiore a 25 ppm, lo spessore delle incrostazioni è superiore a 50 μm, dopo 100-200 ore si verificano gravi scheggiature e si creano grandi scaglie più grandi di 0,5 mm, il che non è adatto a nessun sistema a vapore.

Effetti della temperatura e della pressione del vapore sulla tolleranza all'ossigeno.

Il limite di concentrazione di ossigeno consentito si abbassa all'aumentare della temperatura e della pressione del vapore. L'ossigeno consentito per la scala adesiva è 25 ppm a 200 gradi e il limite di 8 bar è uno spessore della scala di 5–10 µm. A 250 gradi e 10 bar l'ossigeno consentito è ridotto a 10 ppm con spessore della scala 10-20 µm. A 300 gradi e 20 bar, con uno spessore della scala di 15–30 µm, l'ossigeno massimo consentito è ulteriormente ridotto a 5 ppm. L'ossigeno consentito a 350 gradi e 40 di pressione è di soli 2 ppm con uno spessore della scala di 20–40 µm. A 400 gradi e 80 di pressione, la concentrazione di ossigeno consentita è 1 ppm e lo spessore della scala è 30–50 μm. Una temperatura più elevata aumenta la cinetica di ossidazione, quindi un controllo più stretto dell'ossigeno previene la scheggiatura.

Guida al controllo della contaminazione da ossigeno nei sistemi a vapore surriscaldato

Riscaldatori in titanio grado 2. La tabella allegata indica le raccomandazioni relative alle concentrazioni massime di ossigeno consentite nel vapore surriscaldato in base ai requisiti di servizio e alla suscettibilità delle apparecchiature a valle ai fiocchi di ossido.

Requisito di servizio Sensibilità a valle alle scaglie di ossido O2 massimo consentito (ppm) Spessore previsto delle incrostazioni dopo 1.000 ore (μm) Rischio di scheggiatura
Vapore pulito per il settore alimentare o farmaceuticoMolto elevato<1 None 2-5
Sensibilità a bassa scagliatura al vapore industrialeBassa<5 5 – 10 Low
Vapore industriale, va bene per qualche fiocco. Moderato<10 10-20 Moderate
Servizio non criticoBasso<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Qualunque Inaccettabile
Controllo della concentrazione di ossigeno: oltre l'ingegneria:

The grade of titanium has no major influence on the scale spalling at 250 °C, as Grade 2 and Grade 7 react equally in these conditions. Wall thickness is a metal loss allowance, 2.0 mm wall with a 0.01 mm per year oxidation loss, for 1,000 hours of operation, would last 200 years. The velocity of the steam flow effects the flake removal, high speeds (>20 m/sec) possono spostare le squame anche se sono apparentemente attaccate. I fiocchi sciolti possono essere rimossi mediante spurgo periodico con vapore a 50 m/s per 1 ora prima che si accumulino. Un analizzatore di ossigeno nella linea del vapore esegue il monitoraggio continuo e un avviso impostato su 8 ppm O₂ consente di adottare misure correttive prima del limite di 10 ppm.

Creare una specifica ben informata

Per un'asta termica in titanio per il surriscaldamento del vapore a 250 gradi e 10 bar, il contenuto di ossigeno nella fonte di vapore deve essere inferiore a 5 ppm per applicazioni con vapore pulito o inferiore a 10 ppm per uso industriale. Installa un analizzatore di ossigeno online con un allarme a 8 ppm e un interblocco che interrompe l'alimentazione del riscaldatore o spegne il sistema se l'ossigeno è superiore a 15 ppm. Sistemi esistenti con livelli di O2 > 10 ppm Ridurre la temperatura del vapore a 200 gradi che consente 25 ppm O₂ Installare un sistema di deossigenazione Durante la messa in servizio, controllare la superficie del riscaldatore dopo 100 ore di funzionamento. Se sono evidenti scaglie di ossido ridurre la concentrazione di ossigeno o la temperatura. Mantenere la contaminazione dell'ossigeno al di sotto di 10 ppm inibisce la produzione di scaglie di ossido non-aderenti che contaminerebbero le apparecchiature a valle e degraderebbero la durata dei riscaldatori nel servizio con vapore surriscaldato.