Для концентрованої сонячної теплової системи з використанням розплавленої солі при 550 градусах, чому титан класу 9 є кращим кандидатом, ніж клас 2 для матеріалу оболонки нагрівача?
Залишити повідомлення
Концентровані сонячні термальні (CSP) системи використовують розплавлені соляні суміші (зазвичай 60% NaNO₃ + 40% KNO₃) як теплоносії, що працюють при температурах 500–600 градусів. Для плавлення солі, захисту від замерзання та додаткового обігріву потрібні електричні нагрівачі. За таких екстремальних температур стандартний титан 2-го класу має значні обмеження. Титан 9 класу (Ti-3Al-2,5 В) — це альфа-бета-сплав, спочатку розроблений для аерокосмічних гідравлічних трубок. Він забезпечує значно вищу стійкість до повзучості, стійкість до окислення та міцність при високій температурі порівняно з комерційно чистим сортом 2. Розуміння того, чому клас 9 перевершує клас 2 при 550 градусах, є важливим для надійності системи CSP.
Механізм деградації титану 2 класу при 550 градусах
При температурах вище приблизно 400 градусів титан 2 класу починає швидко окислюватися на повітрі. Оксидний шар (TiO₂) росте параболічно, досягаючи товщини 50–100 мкм після 1000 годин при 550 градусах. Цей оксид крихкий і відколюється через невідповідність температурного розширення, піддаючи свіжий метал безперервному окисленню. Одночасно кисень дифундує в металеву підкладку, утворюючи альфа-шар, збагачений киснем. Цей шар твердий і крихкий, що знижує пластичність майже до нуля. Під час термічного циклу розтріскування відбувається через шар альфа-корпусу. Клас 2 також різко втрачає міцність при повзучості вище 400 градусів, при цьому межа текучості знижується з 280 МПа при кімнатній температурі до приблизно 70 МПа при 550 градусах.
Чудові характеристики титану класу 9 при підвищеній температурі
Клас 9 містить 3% алюмінію (підсилювач твердого-розчину та альфа-стабілізатор) і 2,5% ванадію (бета-стабілізатор). Цей сплав забезпечує кілька переваг при 550 градусах:
Стійкість до окислення: Алюміній утворює захисний шар Al₂O₃ в масштабі TiO₂, знижуючи швидкість окислення на 60–75% порівняно з класом 2.
Альфа{0}}стійкість корпусу: Алюміній уповільнює дифузію кисню в метал, зменшуючи глибину альфа-корпуса приблизно на 50% за той самий час впливу.
Міцність повзучості: Клас 9 зберігає межу текучості приблизно 200 МПа при 550 градусах, що майже в три рази більше, ніж клас 2.
Термостабільність: альфа-бета-мікроструктура більш стабільна при підвищених температурах, ніж альфа-структура класу 2.
Кількісне порівняння 2 класу з 9 класом при 550 градусах
Контрольоване випробування в розплавленому нітратному солі (60% NaNO₃ + 40% KNO₃) при 550 градусах протягом 2000 годин виявило такі відмінності в продуктивності:
| Властивість на 550 градусів | Титан 2 класу | Титан 9 класу | Фактор покращення |
|---|---|---|---|
| Швидкість окислення (мг/см²/год) | 0.08 | 0.02 | 4x |
| Альфа{0}}глибина корпусу після 2000 годин (мкм) | 180–220 | 80–100 | 2.2x |
| Межа текучості (МПа) | 65–75 | 180–210 | 2.8x |
| Деформація повзучості при 100 МПа, 1000 годин (%) | 5.2 (розрив при 800 год.) | 0.8 | Стабільний |
| Термічні цикли до розтріскування (від 100 градусів до 550 градусів) | 150–250 | 800–1,200 | 4–5x |
| Максимальна безперервна робоча температура | 400 градусів | 550-600 градусів | N/A |
Вибір класу титану на основі-застосунку для служби CSP
У наведеній нижче таблиці наведено схему прийняття рішень для вибору матеріалу титанової оболонки нагрівача на основі температури розплавленої солі та експлуатаційних вимог:
| Температура розплавленої солі та умови експлуатації | Рекомендований клас титану | Обґрунтування та очікувана ефективність |
|---|---|---|
| <450°C, intermittent operation (<500 hours/year) | 2 клас | Прийнятно для низьких-температур. Менша вартість матеріалу. |
| 450–500 градусів, сезонна робота | Клас 9 або клас 2 з покриттям інертним газом | Ступінь 2 вимагає атмосфери азоту над сіллю для зменшення окислення. |
| 500–550 градусів, безперервна робота (8000 годин на рік) | 9 клас | Мінімально прийнятний сплав. 2 ступінь не вдається протягом 3–6 місяців. |
| 550–600 градусів, високо-надійний CSP із розрахунковим терміном служби 20 років | 9 клас з алюмінідним покриттям | Додаткове дифузійне покриття збільшує стійкість до окислення. |
| Модернізація існуючого нагрівача класу 2, яка демонструє відколювання внаслідок окислення | Замінити на 9 клас | Рівень 2 не можна оновити на місці. Потрібна повна заміна. |
Інженерія за межами вибору класу
Вимоги до товщини стінок відрізняються для двох марок. Клас 2 вимагає більш товстих стінок (2,0–2,5 мм), щоб забезпечити допуск на окислення та компенсувати крихкість альфа-корпуса. Для 9 класу можна використовувати стандартні стінки (1,2–1,5 мм), оскільки швидкість окислення нижча, а механічні властивості залишаються стабільними. Коефіцієнт теплового розширення подібний для обох марок (приблизно 9,0–9,5 × 10⁻⁶ / градус), тому сумісність монтажних фланців не змінюється. Зварювальний клас 9 вимагає більш ретельного захисту від інертного газу, ніж клас 2, оскільки алюміній реагує з киснем і азотом. Термообробка після -зварювання не є обов’язковою для 9 класу послуги CSP.
Складання обґрунтованої специфікації
Визначаючи титановий нагрівач для розплавленої солі в концентрованих сонячних теплових системах при температурах вище 500 градусів, потрібен титан класу 9 (Ti-3Al-2,5 В), що відповідає ASTM B861. Запит на сертифікацію властивостей розтягування-при кімнатній температурі та при підвищеній температурі. Вкажіть мінімальну товщину стінки 1,5 мм для класу 9 (проти . 2.5 мм для класу 2). Вимагайте, щоб усі зварні шви виконувались із зворотною продувкою аргоном чистотою 99,999%, а колір зварного шва не перевищував світло-солом’яного кольору відповідно до AWS A5.16. Для систем, що постійно працюють при температурі 550 градусів, вкажіть додаткове дифузійне покриття алюмініду (нанесене цементуванням пачки) для подальшого зменшення окислення. Під час введення в експлуатацію повільно нарощуйте температуру нагрівача на 2 градуси/хв до 550 градусів, щоб забезпечити стабільне утворення оксиду. Вибираючи титан класу 9 замість класу 2, інженер забезпечує надійну роботу нагрівача протягом 20–30 років проектного терміну служби концентрованих сонячних теплових систем.
