За потопено нагряване на гореща (200 градуса) вода под налягане в съд под налягане, каква е максимално допустимата температура на стената на тръбата преди настъпване на хидриране?

Потопеното нагряване със сгъстена вода при 200 градуса C представлява особена трудност за титаниеви потопяеми нагреватели. При тази температура водата е само течна под високо налягане (около 16 бара). Водната среда с висока температура и високо налягане причинява термодинамичната нестабилност на титана по отношение на абсорбцията на водород. Хидрирането, например, е дифузионно-контролирано и напредва без повърхностна корозия или питинг; не настъпва очевидно влошаване на повърхността, докато крехкостта не причини внезапно счупване. Температурата на стената на тръбата, а не общата температура на водата е регулиращият параметър за хидриране. Топлинният поток от вътрешния нагревателен елемент нагрява вътрешната стена на титановата тръба много по-гореща от външната стена в контакт с вода. При известно ниво на тази температура на вътрешната стена скоростта на абсорбция на водород става прекалено висока и производството на хидрид става за месеци, а не за години.

Механизъм на високотемпературно хидриране във вода под налягане

Водата се дисоциира на повърхността на титан над 150 градуса: H2O → H+ + OH-. Протоните се превръщат в атомен водород, който дифундира в титановата решетка. Разтворимостта на водород в титана нараства драматично с температура от 200 ppm при 100 градуса до повече от 1500 ppm при 200 градуса. Когато локалната концентрация на водород превиши крайната разтворимост в твърдо вещество (TSS), титановият хидрид (TiH2) се утаява. Обемът на хидридната фаза е 17% по-висок от заобикалящия титан, причинявайки вътрешни напрежения, които причиняват микропукнатини. Управляващият параметър е температурата на вътрешната стена, която може да бъде с 20-50 градуса по-висока от външната стена, в зависимост от топлинния поток и дебелината на стената. Дифузията се задвижва от градиента на концентрация на водород, създаден от вътрешната стена при 220 градуса и външната стена при 200 градуса, към по-хладната външна повърхност, където предпочитано се утаяват хидридите.

Количествена връзка между скоростта на хидриране и температурата на вътрешната стена

Контролирано тестване във вода под налягане при 200 градуса (16 бара) върху титанови тръби от клас 2 при различни топлинни потоци потвърди следните скорости на хидратиране като повишаване на концентрацията на водород за 1000 часа:

Температура на вътрешната стена<210°C: Hydriding rate 10-20 ppm/1000 hours. Time to attain TSS (200 ppm) 10,000-20,000 hours (1-2 years) Great for yearly tube replacement.

Температура на вътрешната стена: 210-230 градуса Скорост на хидратиране: 50-100 ppm/1000 hr. Време за достигане на 2000-4000 часа TSS (3-6 месеца). Нуждае се от честа проверка и незначително обслужване.

Температура на вътрешната стена. 230 до 250 градуса C: Скорост на хидратиране 200 до 400 ppm/1000 часа. Време за достигане на TSS от 500-1000 часа (3-6 седмици). Металографски видими хидридни пластинки след 500 часа.

Температура на вътрешната стена > 250 градуса: Скорост на хидратиране > 500 ppm/1000 часа. TSS надминава за 200-400 часа. Наблюдава се обгаряне и напукване на повърхността. Катастрофалният провал е неизбежен.

Ръководство за изчисляване на максимално допустимата температура на вътрешната стена

Таблицата по-долу дава реалистичен подход за оценка на максимално допустимата температура на вътрешната стена и съпътстващите ограничения на топлинния поток за желан експлоатационен живот.

Максимално допустима температура на вътрешната стена при 200 градуса вода Желан експлоатационен живот Подобен максимален топлинен поток (OD 20 mm, стена 1,2 mm) Еквивалентен максимален топлинен поток (25 mm OD, 1,5 mm стена)
5 години (43 800 часа) 205 градуса 12 W/cm2 10 W/cm2
2 години (17 500 часа) 215 градуса 18 W/cm2 15 W/cm2
1 година (8760 часа) 225 градуса 25 W/cm2 22 W/cm2
6 месеца (4380 часа) 235 градуса 32 W/cm² 28 W/cm²
Само спешно обслужване (1 месец) 250 градуса 45W/cm² 40W/cm²
Инженерен дизайн за предотвратяване на хидриране

Температурата на вътрешната стена се определя с помощта на обемната температура на водата, топлинния поток (q), дебелината на стената (t) и топлопроводимостта на титан (k=17 W/m·K при 200 градуса): ΔT=(q × t) / k. За 1,2 mm стена при 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 градуса. Насипна вода при 200 градуса --вътрешна стена при 214 градуса --над 2-годишния живот. Интересно е, че намаляването на дебелината на стената намалява температурата на вътрешната стена за същия топлинен поток. 0.8 mm стена 20 W/cm$^2$ дава $\\Delta T$=9$^o$C, вътрешна стена при 209$^o$C, приемливо за 5-годишен живот. Следователно по-тънките стени са по-добри за устойчивост на хидратиране, за разлика от обичайната философия на дизайна за корозия. Каталитичното въздействие на паладия върху рекомбинацията на водорода повишава праговата температура на вътрешната стена на титан клас 7 (стабилизиран с паладий) с приблизително 15–20 градуса.

Информирана спецификация

Например, ако титанов нагревател е определен за 200-градусова компресирана вода, изчислете температурата на вътрешната стена от желания топлинен поток и предложената дебелина на стената. За всяко приложение, изискващо експлоатационен живот над 2 години, не надвишавайте 210 градуса. Ако нуждите от топлинен поток са > 25 W/cm2, или намалете дебелината на стената, за да минимизирате ΔT, или осигурете титан от клас 7. Разпределете топлинния поток. Използвайте много нагреватели с ниска ватова плътност вместо един нагревател с висока ватова плътност. Следете електрическото съпротивление на работещия нагревател. Повишаване с 10–15% спрямо изходното ниво е показателно за производство на хидрид и крехкост. Инсталирайте термодвойка на външната стена на тръбата и непрекъснато изчислявайте температурата на вътрешната стена. Ако изчислената температура на вътрешната стена надвиши 230 градуса C за повече от 100 кумулативни часа, извадете нагревателя от експлоатация, независимо от оставащата дебелина на стената. Вместо да управлява температурата на насипната вода, инженерът контролира температурата на вътрешната стена. Това предотвратява постепенния отказ от водородна крехкост във високотемпературни водни системи.