Quando uma barra de aquecimento de titânio é usada para superaquecer o vapor a 250 graus e 10 bar, qual é a contaminação máxima permitida por oxigênio no vapor para evitar a formação de flocos de óxido não{2}}aderentes?

O titânio é protetor em vapor superaquecido a 250oC e 10 bar, formando uma incrustação de dióxido de titânio (TiO2). No entanto, a contaminação do vapor com oxigênio acima da dissociação típica do vapor de água aumenta a oxidação e afeta a morfologia da escama. O excesso de oxigênio leva à produção de uma incrustação espessa e multi{5}}camadas, incluindo TiO₂ e sub-óxidos, como Ti₂O₃ e TiO. Essa incrustação não é-aderente e se fragmenta facilmente, produzindo flocos de óxido que podem contaminar equipamentos posteriores, como turbinas, válvulas e trocadores de calor. A contaminação por oxigênio não deve exceder 10 partes por milhão em volume (10 cm3 de O2 por m3 de vapor) para evitar o desenvolvimento de flocos de óxido não{15}}aderentes. A escala atinge entre 500 e 1.000 horas de operação acima deste nível.

Mecanismo de descamação-induzida por oxigênio no vapor superaquecido

Reação normal de oxidação a vapor a 250 graus Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Com o oxigênio extra a reação é Ti + O 2 → TiO 2 . A taxa de oxidação é proporcional à raiz quadrada da pressão parcial do oxigênio. O óxido resultante é mais espesso, mais poroso e contém micro-fissuras. Isto se deve a tensões de crescimento que são mais rápidas. A incrustação porosa espessa se fragmenta facilmente no resfriamento ou no ciclo térmico devido à incompatibilidade de expansão térmica entre o óxido e o metal titânio. Os flocos de óxido fragmentados são transportados pelo fluxo de vapor e podem danificar o equipamento a jusante. As regiões lascadas revelam novo titânio que oxida rapidamente. Isto leva a um crescimento e fragmentação cíclicos da escala.

Aderência e fragmentação na escala quantitativa vs. concentração de oxigênio

As características de escala para titânio Grau 2 foram desenvolvidas para diversas quantidades de contaminação por oxigênio em testes controlados em vapor superaquecido a 250 graus e 10 bar por 1.000 horas. Quando o teor de oxigênio é inferior a 1 ppm (vapor puro), a espessura da incrustação é de 2 a 5 µm, a incrustação é aderente e cinza escuro e nenhuma lasca ocorre após 1000 horas. Com 1-5 ppm de oxigênio, a espessura da escama aumenta para 5-10 μm. A incrustação é aderente com pequenas fissuras superficiais e não são observadas escamas. Em concentrações de oxigênio de 5 a 10 ppm, a espessura da incrustação é de 10 a 20 µm, a incrustação começa a rachar nas bordas e pequenos flocos abaixo de 0,1 mm aparecem ocasionalmente, o que é adequado para a maioria das aplicações industriais. Oxigênio 10–25 ppm Espessura da escama 20–40 µm Descascamento da escama 20–40% da superfície após 500 horas Flocos criados 0,1–0,5 mm Isso não é apropriado para sistemas de vapor limpo. Quando o oxigênio está acima de 25 ppm, a espessura da incrustação é superior a 50 μm, ocorre lascamento grave após 100–200 horas e são criados grandes flocos maiores que 0,5 mm, o que não é adequado para nenhum sistema de vapor.

Efeitos da temperatura e pressão do vapor na tolerância ao oxigênio.

O limite permitido de concentração de oxigênio diminui à medida que a temperatura e a pressão do vapor aumentam. O oxigênio permitido para a escala adesiva é de 25 ppm a 200 graus e o limite de 8 bar, sendo uma espessura de escala de 5–10 µm. A 250 graus e 10 bar o oxigênio permitido é reduzido para 10 ppm com espessura de escala de 10-20 µm. A 300 graus e 20 bar, com uma espessura de escala de 15–30 µm, o oxigênio máximo permitido é reduzido ainda mais para 5 ppm. O oxigênio permitido a 350 graus e pressão de 40 é de apenas 2 ppm com uma espessura de escala de 20–40 µm. A 400 graus e 80 de pressão, a concentração de oxigênio permitida é de 1 ppm e a espessura da escala é de 30–50 μm. A temperatura mais alta aumenta a cinética de oxidação e, portanto, um controle mais rígido do oxigênio evita a fragmentação.

Guia para Controle de Contaminação de Oxigênio em Sistemas de Vapor Superaquecido

Aquecedores de titânio grau 2. A tabela anexa indica recomendações de concentrações máximas permitidas de oxigênio no vapor superaquecido, dependendo dos requisitos de serviço e da suscetibilidade do equipamento a jusante a flocos de óxido.

Requisito de serviço Sensibilidade a jusante a flocos de óxido O2 máximo permitido (ppm) Espessura de incrustação esperada após 1.000 horas (µm) Risco de lascamento
Vapor limpo para alimentos ou produtos farmacêuticos Muito alto<1 None 2-5
Vapor industrial com baixa sensibilidade a flocosLow<5 5 – 10 Low
Vapor industrial, ok para flocos estranhosModerado<10 10-20 Moderate
Serviço não críticoBaixo<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Qualquer Inaceitável
Controle da concentração de oxigênio: além da engenharia:

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/s) pode desalojar as escamas, mesmo que estejam ostensivamente fixadas. Os flocos soltos podem ser removidos por purga periódica com vapor a 50 m/s durante 1 h antes de se acumularem. Um analisador de oxigênio na linha de vapor monitora continuamente e um alerta definido em 8 ppm de O₂ permite que medidas corretivas sejam tomadas antes do limite de 10 ppm.

Criando uma especificação bem informada

Para uma barra de aquecimento de titânio para superaquecimento de vapor a 250 graus e 10 bar, o teor de oxigênio na fonte de vapor deve estar abaixo de 5 ppm para aplicações de vapor limpo ou abaixo de 10 ppm para uso industrial. Instale um analisador de oxigênio on-line com alarme de 8 ppm e um intertravamento que corte a energia do aquecedor ou desligue o sistema se o oxigênio estiver acima de 15 ppm. Sistemas existentes com níveis de O2 > 10 ppm Reduza a temperatura do vapor para 200 graus, o que permite 25 ppm de O₂ Instale o sistema de desoxigenação Durante o comissionamento, verifique a superfície do aquecedor após 100 horas de operação. Se houver flocos de óxido evidentes, reduza a concentração de oxigênio ou a temperatura. Manter a contaminação de oxigênio abaixo de 10 ppm inibe a produção de flocos de óxido não{16}}aderentes que contaminariam equipamentos posteriores e degradariam a vida útil dos aquecedores em serviços de vapor superaquecido.