Quel flux thermique maximal autorisé à une température de gaine de 400 degrés dans l'air empêche l'écaillage excessif de l'oxyde et la perte de métal des tubes chauffants en acier inoxydable 316 après 10 000 heures

Le flux thermique-Régime d'oxydation limité pour une exposition à l'air à long-terme

Pour les tubes de chauffage électriques en acier inoxydable 316 fonctionnant à une température de gaine de 400 degrés dans l'air, une situation courante pour les aérothermes industriels, les fours et les réchauffeurs de conduits, le flux thermique appliqué (W/cm2) contrôle à la fois le rythme de croissance de l'oxyde et la tendance à l'écaillage du tartre. Bien que la température maximale de la gaine soit souvent la principale restriction de conception, le flux thermique dicte indépendamment le gradient thermique à travers la couche d'oxyde et les contraintes thermiques qui en résultent, qui conduisent à l'effritement. L'oxyde sur 316 à 400 degrés est principalement constitué de Cr₂O₃ avec un peu de Fe₂O₃ et est généralement protecteur. Cependant, pour les flux thermiques supérieurs à 6 W/cm2, le gradient de température à travers la couche d'oxyde (généralement 10-50 µm d'épaisseur) produit des déformations supérieures à la force d'adhésion oxyde-métal et entraîne un écaillage périodique avec une perte de métal accrue. L'écaillage de l'oxyde est négligeable en dessous de 3 W/cm² et la perte de métal est<10 µm after 10,000 hours. This article quantifies the link between heat flux, oxide spalling rate and cumulative metal loss at 400 °C.

Comment le flux thermique provoque l’éclatement de l’oxyde

Lorsqu'une gaine 316 est exposée à l'air à une température de surface de 400 degrés, l'échelle d'oxyde augmente à un rythme dépendant de la température de surface et du temps. Cependant, le flux thermique (le taux de transmission de chaleur à travers la paroi de la gaine) provoque une différence de température à travers le contact métallique oxyde-. La surface extérieure de la couche d'oxyde est à la température nominale de la gaine (400 degrés) et le contact métallique de l'oxyde - est légèrement plus froid en raison de la résistance thermique de l'oxyde. La taille du gradient est proportionnelle à la couche d'oxyde et à sa conductivité thermique (~ 3 à 5 W/m·K pour Cr2O3). Aux faibles flux de chaleur (<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 à 8 W/cm2), la chute de température peut être de 5 à 15 degrés, de sorte que l'oxyde soit soumis à une contrainte de compression au fur et à mesure de sa croissance. Lorsqu'il est refroidi (le chauffage s'éteint), l'oxyde rétrécit davantage que le métal (coefficients de dilatation thermique différents), provoquant des contraintes de traction qui provoquent un effritement.

Quantification du flux thermique et de l'écaillage des oxydes à 400 oC

Des tests d'oxydation cycliques (10 000 heures au total, cycles d'une heure à température, 30 minutes de refroidissement à l'air pulsé à 100 degrés) de tubes en acier inoxydable 316 à une température de gaine de 400 degrés avec différents flux de chaleur (contrôlés par l'épaisseur de paroi variable et la température interne du fil) ont établi les taux d'effritement et de perte de métal suivants.

Flux thermique (W/cm 2 ) Épaisseur d'oxyde après 10 000 heures (μm) Début de l'écaillage (cycles jusqu'au premier éclat)Événements d'écaillage / 1 000 cyclesPerte totale de métal (µm) Après 10 000 heuresÉpaisseur de paroi restante (à partir de 1,5 mm au début, µm) Recommandé pour un service de 10 000 heures<2 8-12 >10 000 (pas d'écaillage) 0 2-5 1 495-1 498 Oui 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 Inacceptable
8-10 35-50 100-200 30-60 100-150 1350-1400 Unacceptable >10 >50 <100 >60 >150 <1,350 Not acceptable
Influence de l'épaisseur de la gaine sur le flux thermique admissible

Pour une puissance donnée, le flux thermique est plus faible si les murs sont plus épais, car la surface extérieure est plus grande. Pour deux radiateurs de même puissance, une gaine plus épaisse (plus grand diamètre extérieur) a un flux thermique plus faible. Le tableau ci-dessous illustre le flux thermique maximum autorisé pour différentes épaisseurs de paroi pour une durée de vie de 10 000 heures avec<20 μm metal loss.

Diamètre extérieur de la gaine (mm) Épaisseur de paroi (mm) Max. Puissance en watts pour une durée de vie de 10 000 heures à 400 degrés (équivalent W/cm²) Flux thermique maximum (W/cm2) pour<20 um lossApplication Recommended
8.0 1.0 50 W/cm de longueur 4,0 Chauffages compacts à faible-puissance
10.0 1.2 70 W/cm longueur 4,5 Usage général 10.0 1.5 85 W/cm longueur 5,0 Industriel standard 12.0 1.5 100 W/cm longueur 5,5 Puissance modérée
120 W/cm 2.0 12.0 6.0 Haute puissance, longue durée de vie
14.0 2.0 150 W par cm de longueur 6,5 Durée de vie prolongée
200 W par cm de longueur 7,0 Durée de vie maximale (avec mise à niveau de l'alliage) 16.0 2.5
Directives de conception pour les réchauffeurs d'air à 400 degrés

Pour les aérothermes à gaine en acier 316 fonctionnant à une température de gaine de 400 degrés, les restrictions de flux thermique suivantes entraîneront une durée de vie de 10 000 heures avec une perte de métal acceptable.

Durée de vie souhaitée (heures) Flux thermique maximum (W/cm2) Perte de métal (µm) Dimensions de gaine recommandées 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)
Diagnostic sur le terrain de l'écaillage dû au flux thermique

L'écaillage de l'oxyde dû à un flux thermique élevé provoque une rugosité et un amincissement distinctifs de la surface d'un appareil de chauffage 316 fonctionnant pendant 5 000 à 10 000 heures dans l'air à 400 degrés. L'oxyde sur la gaine n'est pas une couche continue, mais une épaisse calamine brisée parsemée de métal exposé là où un effritement a récemment eu lieu. Les parties écaillées peuvent présenter des dépressions circulaires peu profondes dans la surface métallique. Le diamètre de la gaine sera mesuré avec un micromètre pour démontrer des réductions locales de 0,1 à 0,3 mm par rapport à la dimension d'origine. Pour de tels appareils de chauffage, une réduction de 30 à 40 % du flux de chaleur (en augmentant la surface ou en réduisant la puissance) prolongera la durée de vie jusqu'aux 10 000 heures ciblées.

Conclusions : Définition des limites de flux thermique pour les appareils de chauffage à air longs

Pour les radiateurs en acier inoxydable 316 fonctionnant à l'air à 400 degrés, le flux thermique maximum autorisé pour une durée de vie de 10 000 heures avec une perte de métal de<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.