عندما تقوم شركات صيانة الطائرات بأعمال الصيانة، فإنها تحتاج إلى عدد كبير من القطع المعدنية لتركيب لوحات الوصول إلى جسم الطائرة، والمعدات المحمولة جواً، والمكونات والملحقات. وتُستخدم عادةً مواد خام معدنية من الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي. إلا أن زيادة نسبة الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في القطع الفولاذية والمواد الخام تؤثر سلباً على أداء هذه القطع. فعلى سبيل المثال، يؤدي التقصف الهيدروجيني المتكرر للقطع الفولاذية إلى تقصير عمرها الافتراضي.
لذا، يُعدّ القياس الدقيق لمحتوى الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي أمرًا بالغ الأهمية. ومع التطور السريع لصناعة الطيران الحديثة وصناعة الحديد والصلب، ازداد اهتمام شركات صيانة الطائرات بتحليل العناصر الغازية كالأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في المواد الفولاذية.
باعتبارها تقنية تحليلية متخصصة للغاية، يتم إجراء تحليل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين بشكل عام من قبل شركات صيانة الطائرات بمساعدة أجهزة تحليل الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين الاحترافية، والتي يمكنها قياس محتويات الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين بسرعة ودقة في المواد المعدنية المصنوعة من الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي.
1. مخاطر الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي
يوجد الأكسجين في الفولاذ على شكل شوائب أكسيدية مختلفة ويتحد مع شوائب غير معدنية، مما يعطل استمرارية المصفوفة المعدنية وبالتالي يؤثر على الخواص الميكانيكية للفولاذ.
تشمل مخاطر النيتروجين تقليل مقاومة الفولاذ للشيخوخة، وإضعاف قابليته للتشكيل على البارد وقدرته على التشوه البلاستيكي، والتسبب في التقصف في المنطقة المتأثرة بالحرارة الملحومة، وإضعاف قابلية سحب الفولاذ.
تكمن خطورة الهيدروجين في أن الهيدروجين المذاب في الفولاذ يتجمع إلى جزيئات، مما يُضعف الخواص الميكانيكية للمادة ويُسبب تركيز الإجهاد. وعندما يتجاوز الإجهاد حد مقاومة الفولاذ، تتشكل شقوق دقيقة داخله، وهو ما يُعرف عادةً باسم "تقصف الهيدروجين".
يتضح أن زيادة محتوى الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين تؤثر سلبًا على أداء أجزاء الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي، ولذا يجب التحكم بها. لذلك، من الضروري قياس محتوى الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين بدقة في أجزاء الفولاذ، سواءً في الفولاذ الكربوني أو الفولاذ السبائكي. بالنسبة للأجزاء التي تحتوي على محتوى زائد، يمكن استخدام طرق المعالجة الحرارية، مثل إزالة الهيدروجين بالتسخين، للتخلص من هشاشة الهيدروجين واستعادة أداء الفولاذ. هذا يمنع تركيب أجزاء فولاذية معيبة ذات محتوى عالٍ من الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في الطائرات، مما قد يؤثر سلبًا على جودة صيانة الطائرات وسلامة الطيران.
2. مبدأ الاختبار
إن الجهاز المستخدم من قبل شركات صيانة الطيران للتحليل الكمي للأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في الفولاذ والحديد الزهر ومواد السبائك هو محلل الأكسجين/النيتروجين/الهيدروجين (على سبيل المثال، ONH-2000)، والذي يتميز بدقة عالية ودقة قياس عالية.
يعتمد محلل الأكسجين/النيتروجين/الهيدروجين على مبدأ التسخين النبضي - الاختزال بالحماية بواسطة غاز خامل - التوصيل الحراري والكشف بالأشعة تحت الحمراء. عند مرور تيار كهربائي قوي عبر بوتقة الجرافيت بين قطبين كهربائيين علوي وسفلي، ترتفع درجة حرارة البوتقة بسرعة إلى القيمة المحددة. في جو من غاز خامل (الهيليوم أو النيتروجين)، يتحول الأكسجين الموجود في العينة المعدنية إلى أول أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون، ويتم ذلك بواسطة الهيليوم ثم يُقاس بواسطة كاشف الأشعة تحت الحمراء. ينطلق النيتروجين والهيدروجين في صورة جزيئية، ويتم ذلك بواسطة الهيليوم والنيتروجين على التوالي، ثم يُرسلان إلى كاشف التوصيل الحراري للتحليل الكمي.
يُجهز النظام بخليتين مستقلتين للكشف بالأشعة تحت الحمراء لقياس تركيز الأكسجين المنخفض والعالي على التوالي، وخلية واحدة للكشف عن التوصيل الحراري لتحليل الهيدروجين والنيتروجين. يُبرد فرن النبضات بالماء المتداول، ويمكن تسخين العينة إلى ما يزيد عن 2600 درجة مئوية في بوتقة فرن النبضات عالي الطاقة. ويمكن التبديل تلقائيًا بين درجات الحرارة المنخفضة والعالية أثناء عملية التحليل. إضافةً إلى ذلك، يتطلب النظام هواءً مضغوطًا كمصدر طاقة لآلية رفع فرن النبضات.
