Яка максимально допустима температура стінки труби перед гідридуванням для зануреного нагрівання гарячої (200 градусів) стисненої води в посудині під тиском?

Занурене нагрівання стисненою водою при температурі 200 градусів Цельсія створює особливу складність для титанових занурювальних нагрівачів. При цій температурі вода лише рідка під високим тиском (близько 16 бар). Водне середовище з високою температурою та високим тиском викликає термодинамічну нестабільність титану щодо поглинання водню. Гідратування, наприклад, контролюється дифузією-і просувається без поверхневої корозії чи ямкової корокції; не відбувається очевидного погіршення поверхні, доки крихкість не спричинить раптовий злам. Регулюючим параметром гідридування є температура стінки труби, а не температура води в об’ємі. Тепловий потік від внутрішнього нагрівального елемента нагріває внутрішню стінку титанової трубки набагато сильніше, ніж зовнішню стінку, яка контактує з водою. На певному рівні цієї температури внутрішньої стінки швидкість поглинання водню стає надмірно високою, і утворення гідриду відбувається за місяці, а не за роки.

Механізм високотемпературного гідратування у стисненій воді

Вода дисоціює на поверхні титану понад 150 градусів: H2O → H+ + OH-. Протони перетворюються на атомарний водень, який дифундує в решітку титану. Розчинність водню в титані різко зростає з температурою від 200 ppm при 100 градусах до понад 1500 ppm при 200 градусах. Коли локальна концентрація водню перевищує кінцеву розчинність твердої речовини (TSS), гідрид титану (TiH2) випадає в осад. Об'єм гідридної фази на 17% більший, ніж навколишній титан, що викликає внутрішні напруги, які викликають мікротріщини. Керівним параметром є температура внутрішньої стінки, яка може бути на 20-50 градусів вище, ніж зовнішня стінка, залежно від теплового потоку та товщини стінки. Дифузія приводиться в дію градієнтом концентрації водню, створеним внутрішньою стінкою при 220 градусах і зовнішньою стінкою при 200 градусах, до холоднішої зовнішньої поверхні, де переважно випадають гідриди.

Кількісний зв'язок між швидкістю гідратування та температурою внутрішньої стінки

Контрольоване випробування у стисненій воді при 200 градусах (16 бар) на титанових трубках класу 2 під різними тепловими потоками підтвердило наступні швидкості гідратації як підвищення концентрації водню за 1000 годин:

Температура внутрішньої стінки<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 внутрішньої стінки: 210-230 градусів Швидкість гідратації: 50-100 ppm/1000 год. Час досягнення 2000-4000 годин TSS (3-6 місяців). Потребує частої перевірки та мінімального обслуговування.

Температура внутрішньої стінки. 230 до 250 °C: швидкість гідратації від 200 до 400 ppm/1000 год. Час досягнення TSS 500-1000 годин (3-6 тижнів). Гідридні пластинки металографічно видно через 500 годин.

Температура внутрішньої стінки > 250 градусів: швидкість гідратації > 500 ppm/1000 годин. TSS перевершується через 200-400 годин. Спостерігається пригорання та розтріскування поверхні. Катастрофічний провал неминучий.

Керівництво з розрахунку максимально допустимої температури внутрішньої стінки

Таблиця нижче надає реалістичний підхід для оцінки максимально допустимої температури внутрішньої стінки та супутніх обмежень теплового потоку протягом бажаного терміну служби.

Максимально допустима температура внутрішньої стінки при температурі води 200 градусів. Бажаний термін служби Подібний максимальний тепловий потік (OD 20 мм, стінка 1,2 мм) Еквівалентний максимальний тепловий потік (25 мм OD, 1,5 мм стінка)
5 років (43 800 годин) 205 градусів 12 Вт/см2 10 Вт/см2
2 роки (17 500 годин) 215 градусів 18 Вт/см2 15 Вт/см2
1 рік (8760 годин) 225 градусів 25 Вт/см2 22 Вт/см2
6 місяців (4380 годин) 235 градусів 32 Вт/см² 28 Вт/см²
Лише екстрена служба (1 місяць) 250 градусів 45 Вт/см² 40 Вт/см²
Інженерний проект для запобігання гідратації

Температура внутрішньої стінки визначається за допомогою об’ємної температури води, теплового потоку (q), товщини стінки (t) і теплопровідності титану (k=17 Вт/м·K при 200 градусах): ΔT=(q × t) / k. Для стіни товщиною 1,2 мм при 20 Вт/см2, ΔT=(200 000 Вт/м2 × 0,0012 м) / 17 Вт/м·K=14 градус. Об’ємна вода при 200 градусах --внутрішня стінка при 214 градусах – понад 2 роки. Цікаво, що зменшення товщини стінки зменшує температуру внутрішньої стінки для того самого теплового потоку . 0.8 мм стінки 20 Вт/см$^2$, що дає $\\Delta T$=9$^o$C, внутрішня стінка становить 209$^o$C, що є прийнятним для 5-річного терміну служби. Таким чином, більш тонкі стінки мають кращу стійкість до гідратації на відміну від звичайної філософії дизайну для корозії. Каталітичний вплив паладію на рекомбінацію водню підвищує порогову температуру внутрішньої стінки титану класу 7 (стабілізованого паладієм) приблизно на 15–20 градусів.

Повідомляється специфікація

Наприклад, якщо титановий нагрівач призначений для роботи зі стисненою водою 200 градусів, обчисліть температуру внутрішньої стінки на основі бажаного теплового потоку та запропонованої товщини стінки. Для будь-якого застосування, термін служби якого перевищує 2 роки, не перевищуйте 210 градусів. Якщо потреба в тепловому потокі становить > 25 Вт/см2, або зменште товщину стінки, щоб мінімізувати ΔT, або забезпечте титан класу 7. Поширте тепловий потік. Використовуйте багато нагрівачів з низькою щільністю Вт замість одного нагрівача з високою щільністю Вт. Слідкуйте за електричним опором нагрівача під час роботи. Підвищення на 10–15% порівняно з базовою лінією вказує на утворення гідриду та крихкість. Встановіть термопару на зовнішній стінці труби і безперервно обчислюйте температуру внутрішньої стінки. Якщо розрахована температура внутрішньої стінки перевищує 230 градусів C протягом більше ніж 100 загальних годин, вилучіть нагрівач з експлуатації, незалежно від залишкової товщини стінки. Замість того, щоб керувати температурою основної води, інженер контролює температуру внутрішньої стінки. Це запобігає поступовому виходу з ладу водневої крихкості у високотемпературних водопровідних системах.