Når en titan varmestang brukes til å overopphete damp ved 250 grader og 10 bar, hva er den maksimalt tillatte oksygenforurensning i dampen for å unngå dannelse av ikke-vedhengende oksydflak?

Titan er beskyttende i overopphetet damp ved 250oC og 10 bar, og danner en titandioksid (TiO2) skala. Imidlertid øker oksygenforurensning av dampen over den typiske dissosiasjonen av vanndamp oksidasjon og påvirker skalamorfologien. Overskuddsoksygenet fører til produksjon av en tykk, flerlagsskala som inkluderer TiO₂ og sub-oksider som Ti₂O₃ og TiO. Denne skalaen er ikke-heftende og spruter lett av som produserer oksidflak som kan forurense nedstrømsutstyr som turbiner, ventiler og varmevekslere. Oksygenforurensningen bør ikke overstige 10 deler per million i volum (10 cm3 O2 per m3 damp) for å forhindre utvikling av ikke{15}}vedhengende oksidflak. Skalaen har mellom 500 og 1000 timers drift over dette nivået.

Mekanisme av oksygen-indusert avleiring i overopphetet damp

Normal dampoksidasjonsreaksjon ved 250 grader Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Med det ekstra oksygenet er reaksjonen Ti + O 2 → TiO 2 . Oksydasjonshastigheten er proporsjonal med kvadratroten av partialtrykket til oksygen. Det resulterende oksidet er tykkere, mer porøst og inneholder mikro-sprekker. Dette på grunn av vekstspenninger som er raskere. Den tykke porøse skalaen spruter lett ved avkjøling eller termisk syklus på grunn av uoverensstemmelse mellom termisk ekspansjon mellom oksidet og titanmetallet. De avskallede oksidflakene bæres av dampstrømmen og kan skade nedstrømsutstyr. De avskallede områdene avslører nytt titan som oksiderer raskt. Dette fører til en syklisk skalavekst og avskalling.

Vedheft og avskalling på kvantitativ skala vs oksygenkonsentrasjon

Skalaegenskaper for grad 2 titan er utviklet for ulike mengder oksygenforurensning i kontrollert testing i overopphetet damp ved 250 grader og 10 bar i 1000 timer. Når oksygeninnholdet er mindre enn 1 ppm (ren damp), er kalktykkelsen 2-5 µm, skalaen er vedheftende og mørkegrå og det oppstår ingen avskalling etter 1000 timer. Med 1-5 ppm oksygen øker kalktykkelsen til 5-10 μm. Skalaen fester seg med mindre overflatesprekker og det er ikke observert flak. Ved oksygenkonsentrasjoner på 5-10 ppm er beleggtykkelsen 10-20 µm, belegget begynner å dele seg i kantene og små flak under 0,1 mm dukker opp av og til, noe som er egnet for de fleste industrielle bruksområder. Oksygen 10–25 ppm Avleiringstykkelse 20–40 µm Avleiring 20–40 % av overflaten etter 500 timer Flak dannet 0,1–0,5 mm Dette er ikke egnet for rene dampsystemer. Når oksygenet er over 25 ppm, er kalktykkelsen mer enn 50 μm, alvorlig avskalling oppstår etter 100–200 timer og det dannes store flak større enn 0,5 mm, noe som ikke er egnet for noe dampsystem.

Damptemperatur og trykkeffekter på oksygentoleranse.

Den tillatte oksygenkonsentrasjonsgrensen synker når damptemperaturen og trykket øker. Det tillatte oksygenet for limbelegg er 25 ppm ved 200 grader og en grense på 8 bar, som er en kalktykkelse på 5–10 µm. Ved 250 grader og 10 bar reduseres tillatt oksygen til 10 ppm med skaltykkelse 10-20 µm. Ved 300 grader og 20 bar, med en skalatykkelse på 15–30 µm, reduseres maksimalt tillatt oksygen ytterligere til 5 ppm. Det tillatte oksygenet ved 350 grader og 40 trykk er bare 2 ppm med en skalatykkelse på 20–40 µm. Ved 400 grader og 80 trykk er tillatt oksygenkonsentrasjon 1 ppm og skalatykkelsen er 30–50 μm. Høyere temperatur øker oksidasjonskinetikken, og derfor hindrer tettere oksygenkontroll avskalling.

Veiledning for kontroll av oksygenforurensning i overopphetede dampsystemer

Grade 2 titan varmeovner. Den medfølgende tabellen angir anbefalinger om maksimalt tillatte oksygenkonsentrasjoner i overopphetet damp avhengig av servicekrav og mottakelighet for nedstrømsutstyr for oksidflak.

Tjenestekrav Nedstrøms følsomhet for oksidflak Maksimalt tillatt O2 (ppm) Forventet beleggtykkelse etter 1000 timer (µm) Fare for avskalling
Ren damp til mat eller apotek Veldig høy<1 None 2-5
Industriell damp lav flakfølsomhetLav<5 5 – 10 Low
Industriell damp, greit for den odde flakeModerate<10 10-20 Moderate
Tjenesten ikke kritiskLav<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Uakseptabelt
Oksygenkonsentrasjonskontroll: 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 skjell selv om de tilsynelatende er festet. Løse flak kan fjernes ved periodisk dampspyling ved 50 m/s i 1 time før de bygger seg opp. En oksygenanalysator i dampledningen overvåker kontinuerlig, og et varsel satt til 8 ppm O₂ tillater utbedringstiltak før grensen på 10 ppm.

Lage en godt informert spesifikasjon

For en titan varmestav for overoppheting av damp ved 250 grader og 10 bar, må oksygeninnholdet i dampkilden være under 5 ppm for ren dampapplikasjoner eller under 10 ppm for industriell bruk. Installer en online oksygenanalysator med en alarm på 8 ppm og en forrigling som kutter varmeapparatet eller slår av systemet hvis oksygen er over 15 ppm. Eksisterende systemer med O2-nivåer > 10 ppm Reduser damptemperaturen til 200 grader, noe som tillater 25 ppm O₂ Installer deoksygeneringssystem Under idriftsettelse, kontroller varmeoverflaten etter 100 timers drift. Hvis det er tydelige oksidflak, reduser oksygenkonsentrasjonen eller temperaturen. Ved å opprettholde oksygenforurensning under 10 ppm hemmer produksjonen av ikke-vedhengende oksidflak som vil forurense nedstrømsutstyr og forringe levetiden til varmeovner ved overopphetet damp.