Koliki je maksimalni siguran parcijalni tlak kisika (atm) u omotaču dušika iznad titanskog uronjenog grijača koji radi na 300 stupnjeva u eutektičkoj slanoj kupki kako bi se izbjegao ubrzani rast alfa-kućišta?

Eutektička solna kupka radi na 300 stupnjeva, a dušikov sloj štiti titanske uronjene grijače od oksidacije. Ali kisik može iscuriti iz omotača dušika na površinu titana i formirati alfa-sloj-bogat kisikom. Tanak sloj je krt i smanjuje izdržljivost i duktilnost. Stopa rasta alfa-slučaja je parabolički zakon, a dubina je proporcionalna kvadratnom korijenu parcijalnog tlaka kisika puta vremena. Najviši sigurni parcijalni tlak kisika za sprječavanje ubrzanog rasta alfa-kućišta, definiran kao manje od 10 µm alfa-kućišta nakon 10.000 sati rada, iznosi 0,001 atm (0,1% kisika po volumenu). Iznad ove razine rast alfa-kućišta je znatno ubrzan što rezultira krtošću i preranim kvarom.

Mehanizam stvaranja alfa-kućišta izazvanog kisikom-na 300 stupnjeva

Dakle, na 300 stupnjeva kisik intersticijski ulazi u rešetku titana i stabilizira alfa fazu. Alfa-sloj kućišta je tvrd, često 300-500 HV naspram. 180-220 HV za osnovni metal, i u biti nije-duktilan. Rast alfa-slučaja slijedi jednadžbu d²=k_p × t, gdje je d dubina alfa-slučaja, k_p je konstanta parabolične brzine, a t je period. Konstanta brzine kp proporcionalna je kvadratnom korijenu parcijalnog tlaka kisika. Za praktična vremena rada, stopa razvoja alfa slučaja je beznačajna ispod određenog parcijalnog tlaka kisika. Ako je stopa rasta iznad ovog praga, to može biti značajno i može uzrokovati krtost cijevi za grijanje tanke stijenke unutar nekoliko mjeseci.

Ovisnost o parcijalnom tlaku kisika kvantitativnog rasta alfa-slučaja na 300 stupnjeva

Dubina formiranja alfa-kućišta za titan 2. stupnja utvrđena je kontroliranim testiranjem u kombinacijama dušika-kisika na 300 stupnjeva tijekom 10 000 sati. Pri parcijalnom tlaku kisika od 0,0001 atm (0,01% kisika), dubina alfa-slučaja je 2-5 µm i minimalna je bez utjecaja na mehanička svojstva. Na 0,0005 atm (0,05% kisika) dubina je 5-10 µm i prihvatljiva je za većinu primjena sa sigurnosnom marginom. Kritični prag je 0,001 atm (0,1% kisika) gdje je alfa-dubina kućišta 8-15 m nakon 10 000 sati, što je najveća dopuštena granica. Pri 0,002 atm (0,2% kisika) dubina se povećava na 15-25 µm i opaža se mjerljiv pad duktilnosti. Pri 0,005 atm (0,5% kisika) dubina je 25-40 mm, pri čemu se vidi značajna krtost. Pri 0,01 atm (1% kisika) dubina alfa kućišta je 35-60 µm što dovodi do pucanja tijekom toplinskog ciklusa. Pri tipičnom tlaku zraka od 0,1 atm (10% kisika) dubina je veća od 100 µm nakon 10 000 sati što uzrokuje značajnu krtost.

Utjecaj temperature i trajanja izloženosti na toleranciju na kisik

Siguran parcijalni tlak kisika značajno pada s povećanjem temperature. Nakon 10 000 sati na 300 stupnjeva i 0,001 atm O₂, alfa-dubina kućišta je 8-15 µm. Na 350 stupnjeva s istim 0,001 atm O2 dubina se povećava na 20–35 µm, što je iznad dopuštene granice. Dubina: 15-25 mm pri 300 stupnjeva i 0,002 atm O2, također iznad granice. Na 250 stupnjeva i 0,005 atm O 2 dubina nakon 10 000 sati je samo 5-10 µm, što ukazuje da niža temperatura omogućuje veću toleranciju na kisik. Za duljine izloženosti kraće od 10 000 sati, mogu se tolerirati razine kisika veće od 10 000 sati. Za izlaganje od 1000 sati na 300oC maksimalni prihvatljivi parcijalni tlak kisika penje se na 0,005 atm (0,5% kisika) s dubinom alfa-slučaja od 5-10 μm.

Vodič za kontrolu parcijalnog tlaka kisika za dušične pokrivače

Sljedeća tablica daje preporuke za maksimalni dopušteni parcijalni tlak kisika u dušikovim slojevima preko titanskih uronjenih grijača u kupkama eutektičke soli na 300 C kao funkciju željenog radnog vijeka i dopuštene alfa-dubine kućišta.

Željeni vijek trajanja (sati) Maksimalno dopuštena alfa-dubina kućišta (µm) Maksimalni sigurni parcijalni tlak kisika (atm) Ekvivalentna koncentracija kisika (%) Preporučena čistoća dušika 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%
Inženjering izvan parcijalnog tlaka kontrole kisika

Vrsta titana utječe na kinetiku formiranja alfa-kućišta. Alfa-slučaj za stupanj 7 sličan je stupnju 2 pri istom parcijalnom tlaku kisika zbog malog učinka paladija na difuziju kisika. Debljina stijenke nudi dopuštenje za materijal tako da stijenka od 2,0 mm s alfa-dubinom kućišta od 20 µm ima 1,98 mm duktilne jezgre što je prihvatljivo, ali stijenka od 1,0 mm s istim alfa-kućištem ima samo 0,98 mm duktilne jezgre što može biti marginalno. Dušikov omotač treba kontinuirano pratiti pomoću analizatora kisika s alarmom postavljenim na 0,05% kisika (0,0005 atm) kako bi se ponudio sigurnosni međuspremnik ispod granice od 0,1%. Na rast alfa-slučaja također može utjecati kemija solne kupke. Nečistoće klorida u soli ubrzavaju difuziju kisika.

Specifikacija utemeljene prosudbe

Radni vijek od 10 000- sati, titanski uronjeni grijač, 300 stupnjeva, eutektička slana kupka, dušikov sloj, odredite maksimalni parcijalni tlak kisika od 0,001 atm (0,1% kisika). Kontinuirano praćenje kisika u dušikovom sloju s alarmom na 0,05% kisika i blokadom za isključivanje grijača ako kisik prijeđe 0,2%. Navedite čistoću dušika od najmanje 99,9% s točkom rosišta ispod -60 stupnjeva za suhoću. Za životni vijek preko 20 000 sati navedite 99,95% dušika (0,05% O2) ili ugradite sustav za dobivanje kisika. Prilikom puštanja u pogon provjerite razinu kisika na površini grijača, a ne samo na ulazu za dovod plina, jer bi zrak mogao procuriti kroz brtve. Parcijalni tlak kisika kontrolira se na manje od 0,001 atm kako bi se spriječilo povećano stvaranje alfa-kućišta i krtost titanskih grijača u visokotemperaturnoj slanoj kupki.