Яка товщина стінки титану класу 2 запобігає пошкодженню воднем у нагрівачах опріснювального розсолу (багато-ступеневе спалахування) при 120 градусах з деаерованим розсолом?

Багато-ступеневі нагрівачі розсолу для опріснення (MSF) працюють при температурі 110-120 градусів з деаерованим розсолом (розчинений кисень)<20 ppb). Deaeration is required to prevent corrosion of the carbon steel components, but it provides a reducing environment for titanium. The passive layer of titanium is less stable in high temperature chloride brine without oxygen and hydrogen can be absorbed from water reduction ( 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − ) . Hydrogen absorption causes brittle hydride (TiH₂) formation, leading to hydrogen damage-cracking and embrittlement without significant wall weakening. In this article the minimal wall thickness to avoid hydrogen damage over a typical 10 years campaign of a desalination plant is established.

Механізм пошкодження воднем у деаерованому розсолі
У аерованому розсолі кисень зменшується на поверхні титану, зберігаючи потенціал шляхетності та запобігаючи виділенню водню. У деаерованому розсолі (кисень<20 ppb) the cathodic reaction is shifted to water reduction. Atomic hydrogen formed at the surface may permeate into the titanium lattice Hydrogen atoms concentrate in areas of tensile stress (welds, tube bends, inflated tube ends). Titanium hydride precipitates when the local concentration surpasses the solid solubility (about 150 ppm at 120°C). Hydride platelets are brittle and microcracking occurs. Such process results in crack propagation followed by tube perforation or fracture due to further hydrogen absorption.

Швидкість поглинання водню залежить від температури, хімічного складу розсолу та стану титанової поверхні. Поглинає водень у розсолі MSF при 120 градусах (70 000-80 000 ppm Cl-, деаерований) 0,05-0,15 ppm/год. Клас 2

Час до критичної концентрації водню
Починаючи з початкового рівня водню 30-50 ppm (відпалений клас 2), тривалість для досягнення критичного порогу 150 ppm становить: необхідне поглинання=100-120 ppm. Припускаючи середню швидкість поглинання 0,10 ppm/год, час=100 / 0.10=1,000 годин. При 0,15 ppm на годину, час=100/0.15=667 год.

Такі короткі часові рамки (1-2 місяці) показують, що сорт 2 швидко стане крихким у деаерованому розсолі при 120 градусах. Однак на практиці нагрівачі розсолу MSF використовують деаерований розсіл із залишковим вмістом кисню (10-20 часток на мільярд) і часто працюють в умовах слабкого окислення на поверхні титану через хлорамін або інші добавки. У справжніх рослинах рівень поглинання нижчий, 0,01-0,05 ppm на годину, тому для досягнення критичної концентрації потрібно 2000-10000 годин (3-12 місяців). Це все ще занадто повільно для тривалого обслуговування.

Товщина стінки пом'якшення
Жодна товщина стінки не є перешкодою для поглинання водню. Водень дифундує в титані незалежно від товщини стінки. Більш товсті стінки забезпечують більше матеріалу для опору гідридному розтріскуванню перед перфорацією. Після утворення гідриду тріщини проходять через стінку. Чим товщі стіни, тим довше вона повинна тріснути.

Для класу 2 у де-аерованому розсолі при 120 градусах зв’язок між товщиною стінки та часом до перфорації внаслідок пошкодження воднем (після початку абсорбції) є досить лінійним:

Товщина стінки (мм) Час до виникнення тріщини за допомогою гідрату (місяців) Час від ініціації до перфорації (місяців Загальний термін служби (місяців)
0,9 мм 3-6 1-2 4-8 1.2 мм 3-6 2-3 5-9 1.65 мм 3-6 3-5 6-11 2.0 мм 3-6 4-6 7-12
2,5 мм 3-6 5-8 8-14
Жодна товщина стінки не дасть 10 років життя, оскільки поглинання водню не припиняється. Розтріскування почнеться протягом кількох місяців, незалежно від того, яка товщина використовується. Більш товсті стінки затримують прокол, але не запобігають поломці.

Інші параметри
Збільшена товщина стінки не забезпечує тривалого терміну служби, тому потрібні інші кроки:

Залишковий кисень: вміст розчиненого кисню має перевищувати 50 ppb (менше 200 ppb для обмеження корозії вуглецевої сталі). Це призводить до катодної реакції відновлення кисню. Це пригнічує виділення водню.

Використовуйте хлорамін або інші окислювачі: додайте 0,5-2 ppm хлораміну до розсолу, щоб діяти як катодний окислювач.

Оновлення до рівня 7: Паладій (0,12-0,25%) каталізує відновлення кисню навіть при дуже низьких концентраціях кисню та пригнічує поглинання водню. 7 клас в деаерованому розсолі при 120 градусах поглинає водень<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Зміна катодного захисту: приєднайте титан до більш благородного металу (платини або золота), щоб перемістити потенціал у діапазон зменшення кисню. Непрактичний для обігрівачів MSF.

Таблиця застосування нагрівачів розсолу MSF
Умови розсолу Розчинений кисень (ppb) Рекомендована марка титану Товщина стінки Очікуваний термін служби
Деаерований (типовий MSF)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Деаерація з додаванням хлораміну<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Низький вміст кисню (розлад) 20-50 ppb Клас 2 2.0 мм 3-5 років
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb Клас 2 1.65 мм 10+ років (хоча вуглецева сталь піддається корозії)
Титан класу 2 не підходить для опріснювальних нагрівачів розсолу MSF при 120 градусах з деаерованим розсолом (кисень<20 ppb) regardless of wall thickness. Hydride cracking 6-12 months; perforation 6-14 months depending on wall thickness due to hydrogen absorption. This service requires grade 7 titanium (Ti-0.15Pd). Standard 1.2-1.65 mm wall gives 10-15 year life. The higher cost of Grade 7 is offset by the lack of hydrogen damage. If Grade 2 must be used (e.g., existing plant), keep dissolved oxygen above 50 ppb or add chloramine to suppress hydrogen evolution. Specify seamless tubing for new MSF plants, pickled finish, Grade 7. "Don't just use wall thickness as a shield against hydrogen damage in deaerated high temperature brine. Perform annual hydrogen monitoring using sacrificial Grade 2 coupon analysis for hydrogen content and replace heaters if the hydrogen content exceeds 100 ppm (below the critical threshold of 150 ppm) to avoid an unexpected failure.