Какво е максималното безопасно парциално налягане на кислорода (atm) в азотна обвивка над титаниев потопяем нагревател, работещ при 300 градуса в евтектична солна баня, за да се избегне ускорено нарастване на алфа-кутия?

Евтектичната солна баня работи при 300 градуса и азотна обвивка предпазва титаниевите потопяеми нагреватели от окисление. Но кислородът може да изтече от азотната обвивка в титановата повърхност и да образува богат на кислород-алфа-слой. Тънкият слой е крехък и намалява както живота на умора, така и пластичността. Скоростта на нарастване на алфа-случая е параболичен закон, като дълбочината е пропорционална на корен квадратен от парциалното налягане на кислорода, умножено по времето. Най-високото безопасно парциално налягане на кислорода за предотвратяване на ускорено нарастване на алфа-корпуса, определено като по-малко от 10 µm алфа-корпус след 10 000 часа работа, е 0,001 atm (0,1% кислород по обем). Над това ниво растежът на алфа-корпуса се ускорява значително, което води до крехкост и преждевременна повреда.

Механизъм на предизвиканото от кислород-образуване на алфа-случая при 300 градуса

Така че при 300 градуса кислородът интерстициално навлиза в титановата решетка и стабилизира алфа фазата. Слоят на алфа-корпуса е твърд, често 300-500 HV срещу. 180-220 HV за основния метал и по същество не е-пластичен. Нарастването на алфа-случая следва уравнението d²=k_p × t, където d е дълбочината на алфа-случая, k_p е параболичната скоростна константа и t е периодът. Константата на скоростта kp е пропорционална на корен квадратен от парциалното налягане на кислорода. За времената на практическо обслужване скоростта на развитие на алфа корпуса е незначителна под определено парциално налягане на кислорода. Ако скоростта на растеж е над този праг, това може да бъде значително и може да причини крехкост на тънкостенната нагревателна тръба в рамките на няколко месеца.

Зависимост от парциалното налягане на кислорода на количествения растеж на алфа-случая при 300 градуса

Дълбочината на образуване на алфа-корпус за титан от клас 2 е установена чрез контролирано изпитване в комбинации от азот-кислород при 300 градуса за 10 000 часа. При парциално налягане на кислорода от 0,0001 atm (0,01% кислород), дълбочината на алфа-корпуса е 2–5 µm и е минимална, без влияние върху механичните свойства. При 0,0005 atm (0,05% кислород) дълбочината е 5–10 µm и е приемлива за повечето приложения с граница на безопасност. Критичният праг е 0,001 atm (0,1% кислород), където дълбочината на алфа-корпуса е 8-15 m след 10 000 часа, което е максимално допустимата граница. При 0,002 atm (0,2% кислород) дълбочината се увеличава до 15–25 µm и се наблюдава измерим спад в пластичността. При 0,005 atm (0,5% кислород) дълбочината е 25–40 mm, като се наблюдава значителна крехкост. При 0,01 atm (1% кислород) дълбочината на алфа корпуса е 35–60 µm, което води до напукване по време на топлинен цикъл. При въздух типично 0,1 atm (10% кислород) дълбочината е по-голяма от 100 µm след 10 000 часа, причинявайки значителна крехкост.

Влиянието на температурата и продължителността на излагане върху толерантността към кислород

Безопасното парциално налягане на кислорода спада значително с повишаване на температурата. След 10 000 часа при 300 градуса и 0,001 atm O₂ дълбочината на алфа-корпуса е 8-15 µm. При 350 градуса със същите 0,001 atm O2 дълбочината се увеличава до 20–35 µm, което е над допустимата граница. Дълбочина: 15-25 mm при 300 градуса и 0,002 atm O2, също над ограничението. При 250 градуса и 0,005 atm O 2 дълбочината след 10 000 часа е само 5-10 µm, което показва, че по-ниската температура позволява по-висока толерантност към кислорода. За продължителност на експозиция, по-малка от 10 000 часа, може да се толерират нива на кислород над 10 000 часа. За 1000 часа експозиция при 300oC максималното допустимо парциално налягане на кислорода се изкачва до 0,005 atm (0,5% кислород) с дълбочина на алфа-калъфа от 5-10 μm.

Ръководство за контролиране на парциалното налягане на кислорода за азотни одеяла

Следващата таблица дава препоръки за максимално допустимо парциално налягане на кислорода в азотни обвивки над титаниеви потопяеми нагреватели в евтектични солни бани при 300 C като функция на желания експлоатационен живот и допустимата алфа-дълбочина на корпуса.

Желан експлоатационен живот (часове) Максимално допустима алфа-дълбочина на корпуса (µm) Максимално безопасно парциално налягане на кислород (atm) Еквивалентна концентрация на кислород (%) Препоръчителна чистота на азот 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9% 20,000 15 0.0005 0.05% 99,95% 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Инженерство отвъд парциалното налягане на контрола на кислорода

Степента на титан влияе върху кинетиката на формирането на алфа-корпуса. Алфа-случаят за степен 7 е подобен на степен 2 при същото парциално налягане на кислорода поради слабия ефект на паладия върху дифузията на кислород. Дебелината на стената предлага допуск за материал, така че стена от 2,0 mm с дебелина на алфа-корпуса от 20 µm има 1,98 mm пластично ядро, което е приемливо, но 1,0 mm стена със същия alpha- корпус има само 0,98 mm пластично ядро, което може да е незначително. Азотното одеяло трябва да се наблюдава непрекъснато с помощта на кислороден анализатор с аларма, настроена на 0,05% кислород (0,0005 atm), за да се предложи безопасен буфер под границата от 0,1%. Растежът на алфа-случая също може да бъде повлиян от химическия състав на солената баня. Хлоридните примеси в солта ускоряват дифузията на кислорода.

Спецификация на информираната преценка

10 000{20}}часа експлоатационен живот, титаниев потопяем нагревател, 300 градуса, евтектична солна баня, азотна обвивка, посочете максимално парциално налягане на кислорода от 0,001 atm (0,1% кислород). Непрекъснато наблюдение на кислорода в азотната обвивка с аларма при 0,05% кислород и блокировка за изключване на нагревателя, ако кислородът надвиши 0,2%. Посочете чистота на азот минимум 99,9% с точка на оросяване под -60 градуса за сухота. За експлоатационен живот над 20 000 часа посочете 99,95% азот (0,05% O2) или инсталирайте система за поглъщане на кислород. При пускане в експлоатация проверете нивото на кислород на повърхността на нагревателя, а не само на входа за подаване на газ, тъй като въздухът може да изтече през уплътненията. Парциалното налягане на кислорода се контролира до по-малко от 0,001 atm, за да се предотврати увеличеното образуване на алфа-корпус и крехкостта на титаниевите нагреватели при работа с високотемпературна солна баня.