Pada Batas Suhu Permukaan Berapa Lapisan Oksida pada Tabung Pemanas Baja Tahan Karat 316 Bertransisi dari Pelindung ke Spalling-Penipisan Dinding yang Disebabkan

Batasan Stabilitas Mekanik Struktur Dupleks Oksida

Untuk tabung pemanas listrik yang dibungkus dengan baja tahan karat 316 dan digunakan di udara, gas pembakaran, atau uap super panas, lapisan oksida yang terbentuk di permukaan luar pada awalnya bersifat pelindung-bertindak sebagai penghalang difusi untuk memperlambat oksidasi lebih lanjut. Namun, di atas suhu permukaan ambang batas, struktur oksida berubah dari kerak yang tipis, mudah melekat, kaya kromium-menjadi kerak yang tebal, berlapis-lapis, kaya akan besi-yang sering terkelupas. Setiap peristiwa pengelupasan tidak hanya menghilangkan oksida tetapi juga sedikit logam dasar, menyebabkan penipisan dinding secara progresif dan akhirnya terjadi perforasi. Batas suhu ini bukanlah nilai konstan tetapi bergantung pada kimia paduan, frekuensi siklus termal, dan tekanan parsial oksigen. Makalah ini menghitung suhu transisi oksida untuk selubung pemanas baja tahan karat 316, memberikan kerangka kerja untuk memprediksi tingkat kehilangan dinding akibat pengelupasan, dan menetapkan suhu permukaan kontinu maksimum untuk layanan udara jangka panjang.

Dua Rezim Oksidasi Baja Tahan Karat 316

Pada suhu permukaan di udara di bawah kira-kira 700-750 derajat , baja tahan karat 316 menghasilkan lapisan tipis kromium oksida (Cr₂O₃) yang tipis (1-5 µm) dengan sedikit kandungan besi-kromium spinel. Kerak ini meningkat secara parabola seiring berjalannya waktu, yaitu laju oksidasi berkurang seiring dengan semakin tebalnya kerak karena difusi kromium melalui oksida yang ada menjadi pembatas laju. Skalanya melekat, dengan koefisien muai panas tidak jauh dari logam dasar (∼10−12 × 10⁻⁶ / derajat berbanding 17 × 10−⁶ / derajat untuk 316), dan umumnya hanya mengelupas di bawah guncangan termal ekstrem. Pada suhu di atas sekitar 750-800 derajat, oksida kromium pelindung menjadi kurang stabil secara termodinamika dibandingkan oksida besi. Kerak tersebut membentuk struktur dupleks dengan lapisan luar hematit (Fe 2 O 3 ) dan magnetit (Fe 3 O 4 ) dan lapisan dalam besi-kromium spinel (FeCr 2 O 4 ) dengan kromium oksida. Difusi oksigen melalui struktur oksida besi berpori berlangsung cepat, oleh karena itu oksida besi bagian luar memuai secara linier seiring waktu. Lebih penting lagi, koefisien muai panas Fe₂O₃ kira-kira 15×10⁻⁶ / derajat , dan Fe₃O₄ memuai pada 12-14×10⁻⁶ / derajat . Ketidaksesuaian dengan substrat 316 (17 × 10-6 / derajat ) masih tergolong sedang, namun tekanan yang timbul dari pemuaian volume konversi logam menjadi oksida (rasio Pilling-Bedworth untuk besi adalah 2,1, yaitu oksida memakan volume lebih banyak daripada logam yang dikonsumsi) menginduksi tegangan tekan dalam skala yang melampaui kekuatan adhesi selama siklus termal. Setelah oksida kromium pelindung dipecah, oksidasi meningkat secara dramatis--dari konstanta laju parabola sekitar 10⁻¹² g²/cm⁴·s pada 700 derajat menjadi 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s pada 850 derajat , peningkatan sebesar dua kali lipat.

Suhu ambang batas spalling dan ketergantungannya pada siklus termal

The shift from adhering to spalling oxide is a function of peak temperature as well as the number and magnitude of thermal cycles which determine when the accumulated strain energy surpasses the oxide-metal adhesion work. For continuous isothermal operation, 316 sheaths can survive at 750°C surface temperature for 20,000-30,000 hours with just 100-200 µm of total metal loss (acceptable for a 1.5 mm wall thickness). However, the same 750°C sheath with daily thermal cycles (cooling to 200°C between thermal cycles) will start spalling after 500-1000 cycles and the total metal loss after 5000 cycles may be >500 µm, sepertiga dari ketebalan dinding. Bahkan pada kondisi isotermal dan suhu permukaan 850 derajat , pertumbuhan oksida yang cepat (10-20 µm per 1.000 jam) dan seringnya pengelupasan spontan terjadi karena tegangan akibat pertumbuhan saja melebihi batas adhesi. Untuk layanan udara, batas praktis untuk keandalan pemanas jangka panjang adalah pengoperasian berkelanjutan sebesar 650 derajat jika penipisan dinding yang disebabkan oleh pengelupasan harus dipertahankan di bawah 10 µm per tahun. Jika suhu permukaan di atas 650 derajat, pemanas harus dianggap sebagai bahan habis pakai dengan jangka waktu penggantian yang telah ditentukan. Perilaku oksidasi dan pengelupasan pada rentang pengoperasian normal 316 pemanas udara berselubung dirangkum di bawah ini.

Temperatur Permukaan Selubung ( derajat ) Tipe Oksida Dominan Kinetika Oksidasi Spalling Onset (siklus hingga spall pertama) Laju Kehilangan Logam (µm per 10.000 jam)Maks. Masa Pakai yang Direkomendasikan (dinding 1,5 mm)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10.000 siklus<5 >30 tahun 550-650 Cr2O3 + minor FeCr2O4 Parabola 5.000-10.000 siklus5-20 15-30 tahun
650-700 Campuran Cr2O3/Fe3O4 Transisi 2000-5000 siklus 20-50 8-15 tahun 700-750 Dupleks Fe3O4/Fe2O3 dengan lapisan dalam kaya CrParabola linier 500-2000 siklus 50-150 3-8 tahun 750-800 Tebal Deplesi Fe3O4/Fe2O3, Cr Linier 100-500 siklus 150-400 1-3 tahun 800-850 Oksida Fe cepat, oksidasi internal Linier<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
Peran Molibdenum dan Silikon dalam Variasi Suhu Transisi

The transition temperatures in the above table are specific to 316 stainless steel with 2.0-2.5 % molybdenum and 0.5-1.0 % silicon. Molybdenum, contrary to certain opinions, does not strengthen the resistance to dry oxidation considerably, but instead creates, beyond 700 °C, volatile oxides (MoO3) which can disturb the protective scale. But silicon is a good thing. At levels above 1.0 % silicon stimulates the creation of a thin, continuous silica layer (SiO2) underneath the chromium oxide which functions as an additional diffusion barrier. For heater sheaths used in continuous operation at temperatures >650 °C, the spalling threshold can be improved by 25-50 °C by using 316 with the silicon concentration at the upper end of the usual range (0.8-1.0 % instead of 0.4-0.6 %). As an alternative , grade 310 stainless steel ( 25 % Cr , 20 % Ni ) or Inconel 600 should be provided for continuous operation over 750 °C . These alloys create exceptionally stable chromium oxide scales up to 1000-1100 °C . The increased expense of the nickel-based alloys is justified for intermittent duty (frequent cycling) at temperatures >650 derajat dengan ketahanan kelelahan termal yang lebih baik sejak 316 akan terjadi kerusakan yang tidak dapat diterima dalam hitungan bulan.

Penilaian Spalling Oksida dan Penipisan Dinding di Lapangan

Tiga-indikasi lapangan yang dapat diamati mengenai suhu permukaan yang melebihi ambang batas spalling terdapat pada 316 pemanas udara terbungkus yang saat ini beroperasi. 1. Serpihan hitam atau coklat tua terdapat di lantai ruang pemanas atau permukaan yang bersebelahan. Serpihan ini merupakan magnetit (Fe3O4) dan dapat ditarik dengan magnet-diagnostik sederhana. Yang kedua adalah tampilan permukaan sarung yang kasar dan berlubang, terutama jika permukaan asli yang halus telah diganti dengan permukaan bertekstur atau bersisik. Tanda ketiga dan paling kuantitatif adalah penurunan hambatan listrik elemen pemanas yang diukur pada suhu kamar. Saat dinding selubung menipis karena terkelupas, diameter kawat resistansi internal juga dapat teroksidasi. Namun penurunan ketahanan dingin sebesar 5-10% dari spesifikasi awal menunjukkan hilangnya logam secara signifikan. Lapisan oksida dihilangkan dengan peledakan pasir yang lembut, dan ketebalan dinding selubung dapat diukur secara tepat dengan pengukur ketebalan ultrasonik. Ketebalan dinding di bawah 0,8 mm pada selubung nominal 1,5 mm berarti penggantian harus direncanakan dalam 6-12 bulan ke depan. Untuk pemanas yang suhu permukaannya tidak diketahui, termokopel yang diterapkan pada selubung selama pengoperasian memberikan data yang meyakinkan. Jika suhu terdeteksi di atas 700 derajat selama lebih dari 10 % jam pengoperasian, pengelupasan oksida akan terjadi secara progresif.

Strategi Desain Pengurangan Suhu Selubung untuk Layanan Udara

Untuk aplikasi yang memerlukan pemanasan udara di atas 650 derajat namun pembatasan proyek membatasi penggunaan 316 selubung, tersedia tiga pendekatan desain untuk menurunkan suhu permukaan aktual untuk keluaran daya tertentu. Cara pertama dan termudah adalah memperluas luas permukaan dengan memanfaatkan selubung berdiameter lebih panjang atau lebih besar, atau dengan menambahkan sirip. Untuk watt tertentu, kenaikan suhu permukaan terhadap lingkungan berbanding terbalik dengan luas permukaan. Jika panjang pemanasan diperbesar dua kali lipat, kenaikan suhu menjadi setengahnya. Teknik kedua adalah meningkatkan kecepatan udara di atas pemanas. Pada kecepatan udara rendah (0,5-1,0 m/detik) koefisien perpindahan panas adalah 10-20 W/m2/K, yang menyebabkan suhu selubung tinggi. Pada konveksi paksa (kecepatan 5-10 m/s), koefisien meningkat menjadi 50-100 W/m2·K, menurunkan suhu selubung sebesar 100-200 derajat pada watt yang sama. Teknik ketiga adalah dengan menggunakan banyak pemanas dengan watt lebih rendah daripada satu pemanas dengan watt tinggi, yang menyebarkan daya total ke area yang lebih luas dan mengurangi suhu puncak selubung. Untuk semua aplikasi pemanas udara, suhu selubung maksimum 650 derajat (diukur atau dihitung) adalah batas atas aman untuk layanan jangka panjang 316. Untuk aplikasi suhu lebih tinggi, standar perlu ditingkatkan ke baja tahan karat 310 atau Inconel.

Kesimpulan: Batas suhu permukaan maksimum untuk pemanas udara tipe 316

Untuk tabung pemanas listrik yang dibungkus dengan baja tahan karat 316 yang beroperasi di udara atau gas pembakaran, lapisan oksida yang terbentuk di permukaan berubah dari pelindung menjadi pengelupasan pada suhu terus menerus sekitar 700-750 derajat, namun pada suhu yang jauh lebih rendah dalam kondisi siklus termal. Untuk keandalan jangka panjang (5+ tahun) suhu selubung kontinu maksimum harus dibatasi hingga 650 derajat. Untuk servis intermiten dengan siklus harian, batas dikurangi hingga 600 derajat untuk meminimalkan kerusakan spalling kumulatif. Jika 316 pemanas terbungkus akan digunakan dalam atmosfer gas mana pun yang suhu permukaan elemennya dapat melebihi 650 derajat, watt harus dikurangi untuk mengurangi suhu, aliran udara ditingkatkan untuk pendinginan konveksi paksa, atau paduan suhu yang lebih tinggi digunakan. Dalam karya ini, disajikan kerangka kerja yang menghubungkan suhu selubung dengan laju pengelupasan oksida dan prediksi penipisan dinding, sehingga memungkinkan pembeli memilih suhu pengoperasian maksimum yang mencegah transisi dari skala pelindung ke pengelupasan destruktif, dan dengan demikian menghindari hilangnya dinding secara progresif yang menyebabkan perforasi selubung prematur.