سطح کے درجہ حرارت کی حد پر 316 سٹینلیس سٹیل ہیٹنگ ٹیوبوں پر آکسائڈ کی تہہ حفاظتی سے سپلنگ میں منتقل ہوتی ہے-حوصلہ افزائی دیوار کی پتلی
ایک پیغام چھوڑیں۔
ڈوپلیکس آکسائیڈ ساخت مکینیکل استحکام کی حدود
316 سٹینلیس سٹیل میں لپٹی ہوئی اور ہوا، دہن گیسوں یا سپر ہیٹیڈ بھاپ میں استعمال ہونے والی الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں کے لیے، بیرونی سطح پر بننے والی آکسائیڈ کی تہہ ابتدائی طور پر حفاظتی ہوتی ہے-مزید آکسیڈیشن کو کم کرنے کے لیے بازی رکاوٹ کے طور پر کام کرتی ہے۔ سطح کے درجہ حرارت کی حد سے اوپر، تاہم، آکسائیڈ کا ڈھانچہ ایک پتلے، چپکنے والے، کرومیم-رچ پیمانے سے ایک موٹے، کثیر پرتوں والے، لوہے کے-رچ پیمانے پر تبدیل ہو جاتا ہے جو اکثر پھیلتا ہے۔ ہر پھیلنے والا واقعہ نہ صرف آکسائیڈ بلکہ بنیادی دھات کا تھوڑا سا حصہ بھی ہٹاتا ہے، جس سے دیوار کی ترقی پسندی پتلی ہو جاتی ہے اور بالآخر سوراخ ہو جاتا ہے۔ درجہ حرارت کی یہ حد ایک مستقل قدر نہیں ہے لیکن یہ مرکب کیمسٹری، تھرمل سائیکل فریکوئنسی اور آکسیجن کے جزوی دباؤ پر منحصر ہے۔ یہ کاغذ 316 سٹینلیس سٹیل ہیٹر شیتھوں کے لیے آکسائیڈ ٹرانزیشن درجہ حرارت کا حساب لگاتا ہے، دیوار کے نقصان کی وجہ سے پھیلنے والے نقصان کی شرح کی پیشین گوئی کے لیے ایک فریم ورک فراہم کرتا ہے، اور طویل مدتی فضائی سروس کے لیے زیادہ سے زیادہ مسلسل سطح کے درجہ حرارت کا تعین کرتا ہے۔
316 سٹینلیس سٹیل کی دو آکسیڈیشن رجیم
ہوا میں سطحی درجہ حرارت تقریباً 700-750 ڈگری سے کم ہونے پر، 316 سٹینلیس سٹیل ایک پتلی (1-5 µm)، کرومیم آکسائیڈ کی مسلسل تہہ (Cr₂O₃) تیار کرتا ہے جس میں لوہے کی معمولی سطح-کرومیم اسپنیل ہوتی ہے۔ یہ پیمانہ وقت کے ساتھ پیرابولی طور پر بڑھتا ہے یعنی آکسیڈیشن کی شرح کم ہوتی ہے کیونکہ پیمانہ گاڑھا ہوتا جاتا ہے کیونکہ موجودہ آکسائیڈ کے ذریعے کرومیم کا پھیلاؤ شرح کو محدود کر دیتا ہے۔ پیمانہ مطابقت رکھتا ہے، جس میں تھرمل ایکسپینشن گتانک بنیادی دھات (∼10−12 × 10⁻⁶ / ڈگری کے خلاف 17 × 10−⁶ / ڈگری کے خلاف 316) سے زیادہ نہیں ہے، اور عام طور پر صرف انتہائی تھرمل جھٹکے کے تحت ہی پھیلتا ہے۔ تقریباً 750-800 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر حفاظتی کرومیم آکسائیڈ آئرن آکسائیڈز کے سلسلے میں تھرموڈینامک طور پر کم مستحکم ہو جاتا ہے۔ پیمانہ ہیمیٹائٹ (Fe 2 O 3 ) اور میگنیٹائٹ ( Fe 3 O 4 ) کی ایک بیرونی تہہ اور کرومیم آکسائیڈ کے ساتھ لوہے کے- اسپنل (FeCr 2 O 4 ) کی اندرونی تہہ کے ساتھ ایک ڈوپلیکس ڈھانچہ بناتا ہے۔ غیر محفوظ آئرن آکسائیڈ ڈھانچے کے ذریعے آکسیجن کا پھیلاؤ تیز ہوتا ہے، اس لیے بیرونی آئرن آکسائیڈ وقت کے ساتھ ساتھ لکیری طور پر پھیلتے ہیں۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ Fe₂O₃ کا تھرمل توسیعی گتانک تقریباً 15×10⁻⁶/ڈگری ہے، اور Fe₃O₄ 12-14×10⁻⁶/ڈگری پر پھیلتا ہے۔ 316 سبسٹریٹ (17 × 10-6 / ڈگری ) کے ساتھ مماثلت اب بھی اعتدال پسند ہے، لیکن دھات سے آکسائیڈ کی تبدیلی کے حجم میں توسیع (لوہے کے لیے پِلنگ بیڈ ورتھ کا تناسب 2.1 ہے، یعنی آکسائڈ اس دھات سے زیادہ حجم لیتا ہے جو استعمال کیا جاتا ہے) تھرمل سائیکلنگ. ایک بار جب حفاظتی کرومیم آکسائیڈ ٹوٹ جاتا ہے، تو آکسیکرن ڈرامائی طور پر تیز ہو جاتا ہے-- 10⁻¹² g²/cm⁴·s کے قریب 700 ڈگری پر پیرابولک ریٹ سے 850 ڈگری پر 10⁻¹⁰ g²/cm⁴·s تک، 850 ڈگری پر دو آرڈر کا اضافہ۔
اسپلنگ تھریشولڈ درجہ حرارت اور تھرمل سائیکلنگ پر اس کا انحصار
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، دیوار کی موٹائی کا ایک تہائی۔ یہاں تک کہ آئسوتھرمل حالات میں اور سطح کے درجہ حرارت 850 ڈگری پر، تیز آکسائیڈ کی نمو (10-20 µm فی 1,000 گھنٹے) اور بار بار اچانک پھیلنا اس لیے ہوتا ہے کیونکہ اکیلے نمو کی وجہ سے تناؤ چپکنے کی حد سے تجاوز کر جاتا ہے۔ ہوائی سروس کے لیے طویل مدتی ہیٹر پر انحصار کی عملی حد 650 ڈگری مسلسل آپریشن ہے اگر اسپلنگ کی وجہ سے دیوار کی پتلی کو ہر سال 10 µm سے کم رکھا جائے۔ جہاں سطح کا درجہ حرارت 650 ڈگری سے زیادہ ہو، ہیٹر کو پہلے سے متعین متبادل مدت کے ساتھ استعمال کے قابل سمجھا جانا چاہیے۔ 316 شیتھڈ ایئر ہیٹرز کی عام آپریٹنگ رینج میں آکسیڈیشن اور اسپلنگ رویے کا خلاصہ ذیل میں دیا گیا ہے۔
میان سطح کا درجہ حرارت (ڈگری) غالب آکسائڈ قسم آکسیڈیشن کائینیٹکس اسپلنگ آن سیٹ (سائیکل سے پہلے سپل) دھاتی نقصان کی شرح (µm فی 10,000 گھنٹے) زیادہ سے زیادہ تجویز کردہ سروس لائف (1.5 ملی میٹر دیوار)
<550 Cr2O3 (thin, adherent) Parabolic >10,000 سائیکل<5 >30 سال 550-650 Cr2O3 + معمولی FeCr2O4 پیرابولک 5,000-10,000 سائیکل5-20 15-30 سال
650-700 مخلوط Cr2O3/Fe3O4 عبوری 2000-5000 سائیکل 20-50 8-15 سال 700-750 Duplex Fe3O4/Fe2O3 کے ساتھ Cr سے بھرپور اندرونی تہہ لکیری پیرابولک سال 500-201}500}501} موٹی Fe3O4/Fe2O3، Cr ڈیپلیشن لائنر 100-500 سائیکل 150-400 1-3 سال 800-850 ریپڈ Fe آکسائڈ، اندرونی آکسیڈیشن لائنر<100 cycles 400-800 6-18 months >850 Runaway oxidation, severe spalling Super-linearImmediate spalling >800 <6 months
منتقلی درجہ حرارت کے تغیر میں مولیبڈینم اور سلکان کا کردار
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 >316 کے بعد سے ان کی بہتر تھرمل تھکاوٹ مزاحمت کے ذریعہ 650 ڈگری مہینوں کے معاملے میں ناقابل قبول حد تک پھیل جائے گی۔
فیلڈ میں آکسائڈ سپلنگ اور دیوار کے پتلا ہونے کا اندازہ
تین فیلڈ-سطح کے درجہ حرارت کی حد سے تجاوز کرنے کے قابل مشاہدہ اشارے 316 بند ایئر ہیٹرز کے لیے موجود ہیں جو فی الحال سروس میں ہیں. 1. ہیٹنگ انکلوژر یا ملحقہ سطحوں کے فرش پر سیاہ یا گہرے بھورے فلیکس موجود ہیں۔ یہ فلیکس میگنیٹائٹ (Fe3O4) ہیں اور انہیں مقناطیس-ایک سادہ تشخیصی کے ذریعے اپنی طرف متوجہ کیا جا سکتا ہے۔ دوسرا میان کی سطح کی کھردری، کھردری شکل ہے، خاص طور پر اگر اصل ہموار فنش کو بناوٹ والی یا کھردری سطح سے بدل دیا گیا ہو۔ تیسرا، اور سب سے زیادہ مقداری نشان، کمرے کے درجہ حرارت پر ماپا جانے والے حرارتی عنصر کی برقی مزاحمت کا ایک قطرہ ہے۔ جیسا کہ میان کی دیوار پھیلنے سے پتلی ہوتی ہے، اندرونی مزاحمتی تار کا قطر بھی آکسائڈائز ہو سکتا ہے۔ لیکن اصل قیاس سے سردی کے خلاف مزاحمت میں 5-10 فیصد کمی دھات کے اہم نقصان کی نشاندہی کرتی ہے۔ آکسائیڈ کی تہہ کو ہلکے گرٹ بلاسٹنگ کے ذریعے ہٹا دیا جاتا ہے، اور میان کی دیوار کی موٹائی کو الٹراسونک موٹائی گیج کے ذریعے درست طریقے سے ماپا جا سکتا ہے۔ برائے نام 1.5 ملی میٹر میان پر 0.8 ملی میٹر سے کم دیوار کی موٹائی کا مطلب ہے کہ اگلے 6-12 مہینوں میں تبدیلی کی منصوبہ بندی کی جانی چاہئے۔ ہیٹر کے لیے جہاں سطح کا درجہ حرارت معلوم نہیں ہوتا، آپریشن کے دوران میان پر لگایا جانے والا تھرموکوپل حتمی ڈیٹا پیش کرتا ہے۔ اگر آپریشن کے اوقات کے 10% سے زیادہ کے دوران پتہ چلا درجہ حرارت 700 ڈگری سے زیادہ ہے تو، آکسائڈ سپلنگ ترقی پسند ہوگی۔
ایئر سروس کے لیے میان درجہ حرارت میں کمی کے ڈیزائن کی حکمت عملی
ایسی ایپلی کیشنز کے لیے جن کے لیے 650 ڈگری سے زیادہ ایئر ہیٹنگ کی ضرورت ہوتی ہے لیکن جہاں پراجیکٹ کی پابندیاں 316 شیتھوں کے استعمال کو محدود کرتی ہیں، ایک دیئے گئے پاور آؤٹ پٹ کے لیے سطح کے اصل درجہ حرارت کو کم کرنے کے لیے تین ڈیزائن اپروچ دستیاب ہیں۔ پہلا اور سب سے آسان طریقہ یہ ہے کہ لمبے یا بڑے قطر کی میانوں کو استعمال کرکے یا پنکھوں کو جوڑ کر سطح کے رقبے کو بڑھایا جائے۔ دیے گئے واٹج کے لیے، محیط پر سطح کے درجہ حرارت میں اضافہ سطح کے رقبے سے الٹا تعلق رکھتا ہے۔ اگر گرم لمبائی کو دوگنا کر دیا جائے تو درجہ حرارت میں اضافہ آدھا رہ جاتا ہے۔ دوسری تکنیک ہیٹر پر ہوا کی رفتار کو بڑھانا ہے۔ ہوا کی کم رفتار (0.5-1.0 میٹر/سیکنڈ) پر حرارت کی منتقلی کا گتانک 10-20 W/m2/K ہے، جو اعلی میان درجہ حرارت کی طرف لے جاتا ہے۔ جبری نقل و حرکت پر (5-10 m/s رفتار)، گتانک 50-100 W/m2·K تک بڑھ جاتا ہے، اسی واٹج پر میان کے درجہ حرارت کو 100-200 ڈگری تک کم کرتا ہے۔ تیسری تکنیک یہ ہے کہ ایک ہی ہائی واٹ کے ہیٹر کے بجائے بہت سے کم واٹ کے ہیٹر استعمال کیے جائیں، جو کل طاقت کو ایک بڑے علاقے پر پھیلاتا ہے اور چوٹی کے میان کے درجہ حرارت کو کم کرتا ہے۔ تمام ایئر ہیٹنگ ایپلی کیشنز کے لیے، زیادہ سے زیادہ میان کا درجہ حرارت 650 ڈگری (ماپا یا شمار کیا گیا) طویل مدتی سروس کے لیے 316 کی محفوظ اوپری حد ہے۔ زیادہ درجہ حرارت کے اطلاق کے لیے، معیار کو 310 سٹینلیس سٹیل یا انکونل تک اپ گریڈ کرنے کی ضرورت ہے۔
نتیجہ: 316 قسم کے ایئر ہیٹر کے لیے سطح کے درجہ حرارت کی زیادہ سے زیادہ حد
316 سٹینلیس سٹیل میں لپٹی ہوئی الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں کے لیے جو ہوا میں چلتی ہیں یا دہن گیسوں میں آکسائیڈ کی تہہ بنتی ہے جو سطح پر تقریباً 700-750 ڈگری مسلسل، لیکن تھرمل سائیکلنگ کے حالات میں نمایاں طور پر کم درجہ حرارت پر حفاظتی سے بدل جاتی ہے۔ طویل مدتی وشوسنییتا (5+ سال) کے لیے زیادہ سے زیادہ مسلسل میان کا درجہ حرارت 650 ڈگری تک محدود ہونا چاہیے۔ روزانہ کے چکروں کے ساتھ وقفے وقفے سے سروس کے لیے، حد کو کم کر کے 600 ڈگری کر دیا جاتا ہے تاکہ مجموعی اسپیلنگ نقصان کو کم کیا جا سکے۔ اگر کسی بھی گیسی ماحول میں 316 انکیسڈ ہیٹر استعمال کیے جائیں جہاں عنصر کی سطح کا درجہ حرارت 650 ڈگری سے تجاوز کر سکتا ہے، تو درجہ حرارت کو کم کرنے کے لیے واٹج کو کم کرنا چاہیے، جبری کنویکشن کولنگ کے لیے ہوا کے بہاؤ میں اضافہ، یا زیادہ درجہ حرارت کا مرکب استعمال کیا جانا چاہیے۔ اس کام میں، ایک فریم ورک پیش کیا گیا ہے جو میان کے درجہ حرارت کو آکسائیڈ سپلنگ کی شرحوں اور دیوار کے پتلا ہونے کی پیشین گوئیوں سے جوڑتا ہے، خریداروں کو زیادہ سے زیادہ آپریٹنگ درجہ حرارت کا انتخاب کرنے کے قابل بناتا ہے جو حفاظتی پیمانے سے تباہ کن سپلنگ کی طرف منتقلی کو روکتا ہے، اور اس طرح دیوار کے بڑھنے والے نقصان سے بچتا ہے جو وقت سے پہلے میان کے سوراخ کا باعث بنتا ہے۔
