Почему для концентрированной солнечной тепловой системы, использующей расплавленную соль при температуре 550 градусов, титан 9-го класса является лучшим кандидатом, чем 2-й класс, в качестве материала оболочки нагревателя?
Оставить сообщение
В концентрированных солнечных тепловых системах (CSP) в качестве теплоносителей используются смеси расплавленных солей (обычно 60% NaNO₃ + 40% KNO₃), работающие при температурах 500–600 градусов. Электрические погружные нагреватели необходимы для плавления соли, защиты от замерзания и дополнительного нагрева. При таких экстремальных температурах стандартный титан Grade 2 имеет существенные ограничения. Титан класса 9 (Ti-3Al-2,5V) представляет собой альфа-бета-сплав, первоначально разработанный для аэрокосмических гидравлических трубок. Он обеспечивает значительно более высокое сопротивление ползучести, стойкость к окислению и прочность при повышенных температурах по сравнению с коммерчески чистым классом 2. Понимание того, почему класс 9 превосходит класс 2 при температуре 550 градусов, имеет важное значение для надежности системы CSP.
Механизм деградации титана 2 степени при 550 градусах
При температуре выше примерно 400 градусов титан Grade 2 начинает быстро окисляться на воздухе. Оксидный слой (TiO₂) растет параболически, достигая толщины 50–100 мкм после 1000 часов при температуре 550 градусов. Этот оксид хрупкий и отслаивается из-за несоответствия температурного расширения, подвергая свежий металл продолжающемуся окислению. Одновременно кислород диффундирует в металлическую подложку, образуя -обогащенный кислородом альфа-слой-корпуса. Этот слой твердый и хрупкий, что снижает пластичность практически до нуля. При термоциклировании растрескивание происходит через слой альфа-корпуса. Марка 2 также резко теряет предел ползучести при температуре выше 400 градусов, при этом предел текучести падает с 280 МПа при комнатной температуре до примерно 70 МПа при 550 градусах.
Превосходные характеристики титана Grade 9 при повышенной температуре
Марка 9 содержит 3 % алюминия (упрочнитель твердого-раствора и альфа-стабилизатор) и 2,5 % ванадия (бета-стабилизатор). Такое легирование дает несколько преимуществ при температуре 550 градусов:
Устойчивость к окислению: Алюминий образует защитный слой Al₂O₃ внутри окалины TiO₂, снижая скорость окисления на 60–75 % по сравнению с классом 2.
Сопротивление корпуса альфа-: Алюминий замедляет диффузию кислорода в металл, уменьшая глубину альфа-корпуса примерно на 50 % при том же времени воздействия.
Ползучесть: Класс 9 сохраняет предел текучести примерно 200 МПа при 550 градусах, что почти в три раза выше, чем у класса 2.
Термическая стабильность: Микроструктура альфа-бета более стабильна при повышенных температурах, чем альфа-структура класса 2.
Количественное сравнение степени 2 и степени 9 при 550 градусах
Контролируемые испытания в расплавленной нитратной соли (60 % NaNO₃ + 40 % KNO₃) при температуре 550 градусов в течение 2000 часов выявили следующие различия в характеристиках:
| Недвижимость на 550 градусов | Титан 2 класса | Титан 9 класса | Фактор улучшения |
|---|---|---|---|
| Скорость окисления (мг/см²/час) | 0.08 | 0.02 | 4x |
| Глубина корпуса Alpha-через 2000 часов (мкм) | 180–220 | 80–100 | 2.2x |
| Предел текучести (МПа) | 65–75 | 180–210 | 2.8x |
| Деформация ползучести при 100 МПа, 1000 часов (%) | 5,2 (разрыв при 800 ч) | 0.8 | Стабильный |
| Термические циклы до растрескивания (от 100 до 550 градусов) | 150–250 | 800–1,200 | 4–5x |
| Максимальная температура непрерывной эксплуатации | 400 градусов | 550–600 градусов | N/A |
Выбор класса титана на основе применения-для обслуживания CSP
В следующей таблице представлена основа принятия решения по выбору материала оболочки титанового нагревателя в зависимости от температуры расплавленной соли и эксплуатационных требований:
| Температура расплавленной соли и условия эксплуатации | Рекомендуемая марка титана | Обоснование и ожидаемые результаты |
|---|---|---|
| <450°C, intermittent operation (<500 hours/year) | 2 класс | Приемлемо для применения при низких-температурах. Меньшая стоимость материала. |
| 450–500 градусов, сезонная работа. | Класс 9 или класс 2 с защитой инертным газом | Для степени 2 требуется атмосфера азота над солью для уменьшения окисления. |
| 500–550 градусов, непрерывная работа (8000 часов в год) | 9 класс | Минимально приемлемый сплав. 2 степень не удается в течение 3–6 месяцев. |
| 550–600 градусов, высокая-надежность CSP и расчетный срок службы 20 лет. | Класс 9 с алюминидным покрытием. | Дополнительное диффузионное покрытие увеличивает стойкость к окислению. |
| Модернизация существующего нагревателя класса 2 с обнаружением окислительного растрескивания | Заменить на 9 класс. | Уровень 2 не может быть повышен на месте. Требуется полная замена. |
Инженерное дело за пределами выбора класса
Требования к толщине стенок различаются для двух марок. Для класса 2 требуются более толстые стенки (2,0–2,5 мм), чтобы обеспечить припуск на окисление и компенсировать охрупчивание альфа-корпуса. Для класса 9 можно использовать стандартные стенки (1,2–1,5 мм), поскольку скорость окисления ниже, а механические свойства остаются стабильными. Коэффициент теплового расширения одинаков для обеих марок (примерно 9,0–9,5×10⁻⁶/градус), поэтому совместимость монтажных фланцев не меняется. Сварка класса 9 требует более тщательной защиты инертным газом, чем сварка класса 2, поскольку алюминий вступает в реакцию с кислородом и азотом. Термическая обработка после-сварки не требуется для класса 9 в службе CSP.
Создание обоснованной спецификации
При выборе титанового нагревателя для расплавленной соли в концентрированных солнечных тепловых системах при температуре выше 500 градусов требуется титан класса 9 (Ti-3Al-2,5 В), соответствующий ASTM B861. Запросите сертификацию свойств на растяжение при комнатной-температуре и повышенных температурах. Укажите минимальную толщину стенки 1,5 мм для класса 9 (по сравнению с . 2.5 мм для класса 2). Требовать, чтобы все сварные швы выполнялись с обратной продувкой аргоном чистотой 99,999 %, а цвет сварного шва не превышал светло-соломенного цвета согласно AWS A5.16. Для систем, непрерывно работающих при температуре 550 градусов, необходимо использовать дополнительное диффузионное покрытие из алюминида (наносимое путем цементации пакета) для дальнейшего уменьшения окисления. Во время ввода в эксплуатацию медленно повышайте температуру нагревателя со скоростью 2 градуса в минуту до 550 градусов, чтобы обеспечить стабильное образование оксида. Выбрав титан класса 9 вместо титана класса 2, инженер обеспечивает надежную работу нагревателя в течение 20–30 лет расчетного срока службы концентрированных солнечных тепловых систем.
