כאשר משתמשים במוט חום טיטניום כדי לחמם קיטור ב-250 מעלות ו-10 בר, מהו זיהום החמצן המרבי המותר בקיטור כדי למנוע היווצרות של פתיתי אוקסיד לא-נדבקים?

טיטניום מגן בקיטור מחומם בטמפרטורה של 250oC ו-10 בר, ויוצר סולם טיטניום דו חמצני (TiO2). עם זאת, זיהום חמצן של הקיטור מעל הניתוק האופייני של אדי מים מגביר את החמצון ומשפיע על מורפולוגיה של קנה המידה. עודפי החמצן מובילים לייצור של סולם עבה ורב-שכבתי הכולל TiO₂ ותת--תחמוצות כגון Ti₂O₃ ו-TiO. אבנית זו אינה-נדבקת ומתפוררת בקלות ויוצרות פתיתי תחמוצת שעלולים לזהם ציוד במורד הזרם כגון טורבינות, שסתומים ומחלפי חום. זיהום החמצן לא יעלה על 10 חלקים למיליון בנפח (10 סמ"ק O2 לכל מ"ק קיטור) כדי למנוע התפתחות של פתיתי תחמוצת לא-דביקים. הסולם משתרע בין 500 ל-1,000 שעות עבודה מעל לרמה זו.

מנגנון של חמצן-שגרם להתקפצות אבנית בקיטור מחומם

תגובת חמצון קיטור רגילה ב-250 מעלות Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. עם החמצן הנוסף התגובה היא Ti + O 2 → TiO 2 . קצב החמצון פרופורציונלי לשורש הריבועי של הלחץ החלקי של החמצן. התחמוצת המתקבלת עבה יותר, נקבוביות יותר ומכילה מיקרו-סדקים. זה נובע ממתחי גדילה מהירים יותר. האבנית הנקבובית העבה מתנתקת בקלות בקירור או ברכיבה תרמית עקב חוסר התאמה של התפשטות תרמית בין התחמוצת למתכת הטיטניום. פתיתי התחמוצת שנשפכו נישאים על ידי זרימת הקיטור ועלולים לפגוע בציוד במורד הזרם. האזורים השחורים חושפים טיטניום חדש אשר מתחמצן במהירות. זה מוביל לגידול בקנה מידה מחזורי ופירוק.

היצמדות והתפרקות בקנה מידה כמותי לעומת ריכוז חמצן

מאפייני קנה מידה עבור טיטניום דרגה 2 פותחו עבור כמויות שונות של זיהום חמצן בבדיקה מבוקרת בקיטור מחומם ב-250 מעלות ו-10 בר למשך 1,000 שעות. כאשר תכולת החמצן נמוכה מ-1 ppm (קיטור טהור), עובי האבנית הוא 2-5 מיקרומטר, האבנית נצמדת ואפורה כהה ולא מתרחשת התפוררות לאחר 1000 שעות. עם חמצן של 1-5 ppm עובי האבנית גדל ל-5-10 מיקרומטר. האבנית נדבקת עם סדקים קלים במשטח ולא נצפים פתיתים. בריכוזי חמצן של 5-10 ppm עובי האבנית הוא 10-20 מיקרומטר, האבנית מתחילה להתפצל בקצוות ומדי פעם מופיעים פתיתים קטנים מתחת ל-0.1 מ"מ מה שמתאים לרוב היישומים התעשייתיים. חמצן 10–25 עמודים לדקה עובי אבנית 20–40 מיקרומטר התפרקות אבנית 20–40% מהמשטח לאחר 500 שעות נוצרו פתיתים 0.1–0.5 מ”מ זה לא מתאים למערכות קיטור נקיות. כאשר החמצן הוא מעל 25 עמודים לדקה, עובי האבנית הוא יותר מ-50 מיקרומטר, התפרקות רצינית מתרחשת לאחר 100-200 שעות ונוצרים פתיתים גדולים יותר מ-0.5 מ"מ, דבר שאינו מתאים לשום מערכת קיטור.

השפעות טמפרטורת קיטור ולחץ על סבילות חמצן.

מגבלת ריכוז החמצן המותרת יורדת ככל שטמפרטורת הקיטור והלחץ עולים. החמצן המותר עבור אבנית דבק הוא 25 עמודים לדקה ב-200 מעלות וגבול של 8 בר, שהוא עובי אבנית של 5-10 מיקרומטר. ב-250 מעלות ו-10 בר החמצן המותר מופחת ל-10 ppm עם עובי אבנית של 10-20 מיקרומטר. ב-300 מעלות ו-20 בר, בעובי אבנית של 15-30 מיקרומטר, החמצן המרבי המותר מצטמצם עוד יותר ל-5 ppm. החמצן המותר ב-350 מעלות ולחץ של 40 הוא רק 2 עמודים לדקה עם עובי אבנית של 20-40 מיקרומטר. בלחץ של 400 מעלות ו-80, ריכוז החמצן המותר הוא 1 ppm ועובי האבנית הוא 30-50 מיקרומטר. טמפרטורה גבוהה יותר מגבירה את קינטיקה של החמצון, ומכאן בקרת חמצן הדוקה יותר מונעת התפרקות.

מדריך לבקרת זיהום חמצן במערכות קיטור מחוממות-על

מחממי טיטניום דרגה 2. הטבלה המצורפת מציינת המלצות לריכוזי חמצן מקסימליים בקיטור מחומם, בהתאם לדרישות השירות והרגישות של ציוד במורד הזרם לפתיתי תחמוצת.

דרישת שירות רגישות במורד הזרם לפתיתי תחמוצת מקסימום O2 המותר (ppm) עובי אבנית צפוי לאחר 1,000 שעות (מיקרומטר) סיכון להתפרקות
קיטור נקי למזון או לפארמה גבוה מאוד<1 None 2-5
קיטור תעשייתי רגישות לפתיתים נמוכה נמוכה<5 5 – 10 Low
קיטור תעשייתי, בסדר עבור הפתית המוזר בינוני<10 10-20 Moderate
שירות לא קריטי נמוך<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 כל לא מקובל
בקרת ריכוז חמצן: מעבר להנדסה:

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 מ' לשנייה) עלולים לעקור ממקומם קשקשים גם אם הם מחוברים לכאורה. ניתן להסיר פתיתים רופפים על ידי טיהור קיטור תקופתי במהירות של 50 מ"ש למשך שעה אחת לפני שהם מצטברים. מנתח חמצן בקו הקיטור עוקב באופן רציף, והתראה המוגדרת ל-8 ppm O₂ מאפשרת לנקוט באמצעי תיקון לפני הגבול של 10 ppm.

יצירת מפרט מושכל היטב

עבור מוט חום טיטניום לחימום קיטור ב-250 מעלות ו-10 בר, תכולת החמצן במקור הקיטור חייבת להיות מתחת ל-5 ppm עבור יישומי קיטור נקיים או מתחת ל-10 ppm לשימוש תעשייתי. התקן מנתח חמצן מקוון עם אזעקה של 8 עמודים לדקה ומנעול שמנתק את כוח המחמם או מכבה את המערכת אם החמצן הוא מעל 15 עמודים לדקה. מערכות קיימות עם רמות O2 > 10 ppm הפחת את טמפרטורת הקיטור ל-200 מעלות המאפשרת 25 ppm O₂ התקן מערכת ניקוי חמצן במהלך ההפעלה בדוק את משטח המחמם לאחר 100 שעות פעולה. אם ניכרים פתיתי תחמוצת הפחיתו את ריכוז החמצן או את הטמפרטורה. שמירה על זיהום חמצן מתחת ל-10 עמודים לדקה מעכבת את הייצור של פתיתי תחמוצת לא-נדבקים, אשר יזמומו את הציוד במורד הזרם ויפגמו את חיי המחממים בשירות קיטור מחומם.