Når en titanium varmestang bruges til at overophede damp ved 250 grader og 10 bar, hvad er den maksimalt tilladte iltkontamination i dampen for at undgå dannelse af ikke-vedhæftende oxidflager?

Titanium er beskyttende i overophedet damp ved 250oC og 10 bar og danner en titaniumdioxid (TiO2) skala. Iltforurening af dampen over den typiske dissociation af vanddamp øger imidlertid oxidationen og påvirker skalamorfologien. Overskudsilten fører til produktionen af ​​en tyk, flerlagsskala, der inkluderer TiO₂ og sub-oxider såsom Ti₂O3 og TiO. Denne skala er ikke-vedhæftende og spærrer let producerende oxidflager, som kan forurene nedstrøms udstyr såsom turbiner, ventiler og varmevekslere. Iltforureningen bør ikke overstige 10 dele pr. million i volumen (10 cm3 O2 pr. m3 damp) for at forhindre udviklingen af ​​ikke-vedhængende oxidflager. Skalaen fylder mellem 500 og 1.000 timers drift over dette niveau.

Mekanisme af oxygen-induceret afskalning i overophedet damp

Normal dampoxidationsreaktion ved 250 grader Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Med den ekstra ilt er reaktionen Ti + O 2 → TiO 2 . Oxidationshastigheden er proportional med kvadratroden af ​​iltens partialtryk. Det resulterende oxid er tykkere, mere porøst og indeholder mikro-revner. Dette skyldes vækstspændinger, der er hurtigere. Den tykke porøse skæl sprænger let ved afkøling eller termisk cykling på grund af misforholdet mellem termisk ekspansion mellem oxidet og titaniummetal. De spjættede oxidflager bæres af dampstrømmen og kan beskadige nedstrømsudstyret. De spallede områder afslører nyt titanium, som oxiderer hurtigt. Dette fører til en cyklisk skalavækst og spartling.

Vedhæftning og afskalning på den kvantitative skala vs. iltkoncentration

Skalaegenskaber for grad 2 titanium er blevet udviklet til forskellige mængder iltforurening i kontrolleret test i overophedet damp ved 250 grader og 10 bar i 1.000 timer. Når iltindholdet er mindre end 1 ppm (ren damp), er kalktykkelsen 2-5 µm, skalaen er klæbende og mørkegrå, og der sker ingen afskalning efter 1000 timer. Med 1-5 ppm oxygen øges skæltykkelsen til 5-10 μm. Skalaen er vedhæftende med mindre overfladerevner, og der observeres ingen flager. Ved iltkoncentrationer på 5-10 ppm er skæltykkelsen 10-20 µm, belægningen begynder at spalte i kanterne og små flager under 0,1 mm dukker af og til op, hvilket er velegnet til de fleste industrielle anvendelser. Ilt 10–25 ppm Skaltykkelse 20–40 µm Afskalning 20–40 % af overfladen efter 500 timer. Flager dannet 0,1–0,5 mm Dette er ikke egnet til rene dampsystemer. Når ilten er over 25 ppm, er kalktykkelsen mere end 50 μm, alvorlig afskalning opstår efter 100-200 timer, og der dannes store flager større end 0,5 mm, hvilket ikke er egnet til noget dampsystem.

Damptemperatur og trykpåvirkning på ilttolerance.

Den tilladte iltkoncentrationsgrænse falder, når damptemperaturen og trykket stiger. Den tilladte ilt for klæbende skala er 25 ppm ved 200 grader og en grænse på 8 bar, hvilket er en skalatykkelse på 5-10 µm. Ved 250 grader og 10 bar reduceres den tilladte oxygen til 10 ppm med skalatykkelse 10-20 µm. Ved 300 grader og 20 bar, med en skalatykkelse på 15-30 µm, reduceres den maksimalt tilladte oxygen yderligere til 5 ppm. Den tilladte oxygen ved 350 grader og 40 tryk er kun 2 ppm med en skalatykkelse på 20-40 µm. Ved 400 grader og 80 tryk er den tilladte oxygenkoncentration 1 ppm, og skalatykkelsen er 30-50 μm. Højere temperatur øger oxidationskinetikken, og strammere iltkontrol forhindrer derfor spartling.

Vejledning til kontrol af iltforurening i overophedede dampsystemer

Grade 2 titanium varmelegemer. Den medfølgende tabel angiver anbefalinger af maksimalt tilladte oxygenkoncentrationer i overophedet damp afhængigt af servicekrav og nedstrømsudstyrs modtagelighed for oxidflager.

Servicekrav Nedstrøms følsomhed over for oxidflager Maksimal tilladt O2 (ppm) Forventet skæltykkelse efter 1.000 timer (µm) Risiko for spartling
Ren damp til fødevarer eller apotekMeget høj<1 None 2-5
Industriel damp lav flagefølsomhedLav<5 5 – 10 Low
Industriel damp, okay for den ulige flageModerat<10 10-20 Moderate
Service ikke kritiskLav<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Enhver uacceptabel
Iltkoncentrationskontrol: Beyond Engineering:

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/sek.) kan løsne skalaer, selvom de tilsyneladende sidder fast. Løse flager kan fjernes ved periodisk dampskylning ved 50 m/s i 1 time, før de bygger sig op. En oxygenanalysator i dampledningen overvåger kontinuerligt, og en alarm indstillet til 8 ppm O₂ tillader, at der træffes afhjælpende foranstaltninger inden grænsen på 10 ppm.

Oprettelse af en velinformeret specifikation

For en titanium varmestav til overophedning af damp ved 250 grader og 10 bar, skal iltindholdet i dampkilden være under 5 ppm til rene dampapplikationer eller under 10 ppm til industriel brug. Installer en online iltanalysator med en alarm ved 8 ppm og en interlock, der afbryder varmeapparatets strøm eller lukker systemet ned, hvis ilt er over 15 ppm. Eksisterende systemer med O2-niveauer > 10 ppm Reducer damptemperaturen til 200 grader, hvilket tillader 25 ppm O₂ Installer deoxygeneringssystem Under idriftsættelse kontrolleres varmelegemets overflade efter 100 timers drift. Hvis der er tydelige oxidflager, reduceres iltkoncentrationen eller temperaturen. Vedligeholdelse af iltforurening under 10 ppm hæmmer produktionen af ​​ikke-vedhæftende oxidflager, som ville forurene downstream-udstyr og forringe levetiden af ​​varmeapparater i overophedet dampdrift.