Kolikšna je najvišja dovoljena temperatura stene cevi pred hidriranjem za potopno ogrevanje vroče (200 stopinj) stisnjene vode v tlačni posodi?

Potopno ogrevanje s stisnjeno vodo pri 200 stopinjah C predstavlja posebno težavo za potopne grelnike iz titana. Pri tej temperaturi je voda le tekoča pod visokim pritiskom (okoli 16 barov). Vodno okolje z visoko temperaturo in visokim pritiskom povzroča termodinamično nestabilnost titana glede absorpcije vodika. Hidriranje je na primer difuzijsko-nadzorovano in napreduje brez površinske korozije ali luknjičastih lukenj; ne pride do očitnega poslabšanja površine, dokler krhkost ne povzroči nenadnega zloma. Regulacijski parameter za hidridiranje je temperatura stene cevi in ​​ne temperatura vode. Toplotni tok iz notranjega grelnega elementa segreje notranjo steno titanove cevi veliko bolj vročo kot zunanjo steno v stiku z vodo. Na določeni ravni te temperature notranje stene postane hitrost absorpcije vodika pretirano visoka in proizvodnja hidrida se pojavi v mesecih in ne v letih.

Mehanizem visokotemperaturnega hidriranja v stisnjeni vodi

Voda disociira na površini titana nad 150 stopinj: H2O → H+ + OH-. Protoni se pretvorijo v atomski vodik, ki difundira v mrežo titana. Topnost vodika v titanu močno narašča s temperaturo od 200 ppm pri 100 stopinjah do več kot 1500 ppm pri 200 stopinjah. Ko lokalna koncentracija vodika preseže končno trdno topnost (TSS), se obori titanov hidrid (TiH2). Volumen hidridne faze je za 17 % večji od okoliškega titana, kar povzroča notranje napetosti, ki povzročajo mikrorazpoke. Regulativni parameter je temperatura notranje stene, ki je lahko 20-50 stopinj višja od zunanje stene, odvisno od toplotnega toka in debeline stene. Difuzijo poganja gradient koncentracije vodika, ki ga ustvarita notranja stena pri 220 stopinjah in zunanja stena pri 200 stopinjah, na hladnejšo zunanjo površino, kjer se hidridi prednostno obarjajo.

Kvantitativno razmerje med hitrostjo hidratiranja in temperaturo notranje stene

Nadzorovano testiranje v stisnjeni vodi pri 200 stopinjah (16 barov) na titanovih ceveh stopnje 2 pod različnimi toplotnimi tokovi je potrdilo naslednje stopnje hidridiranja kot porast koncentracije vodika na 1000 ur:

Temperatura notranje stene<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.

Temperatura notranje stene: 210-230 stopinj Hitrost hidratacije: 50-100 ppm/1000 ur. Čas za doseganje 2.000–4.000 ur TSS (3–6 mesecev). Potrebuje pogoste preglede in obrobne storitve.

Temperatura notranje stene. 230 do 250 °C: stopnja hidratacije 200 do 400 ppm/1000 ur. Čas za doseganje TSS 500–1000 ur (3–6 tednov). Hidridne ploščice so metalografsko vidne po 500 urah.

Temperatura notranje stene > 250 stopinj: Hitrost hidratacije > 500 ppm/1000 ur. TSS presežen v 200-400 urah. Opaženi površinski ožigi in razpoke. Katastrofalni neuspeh je neizbežen.

Vodnik za izračun največje dovoljene temperature notranje stene

Spodnja tabela podaja realističen pristop za oceno največje dovoljene temperature notranje stene in spremljajočih omejitev toplotnega toka za želeno življenjsko dobo.

Najvišja dovoljena temperatura notranje stene pri 200 stopinjah vode. Želena življenjska doba Podoben največji toplotni tok (OD 20 mm, stena 1,2 mm)Enakovreden največji toplotni tok (25 mm OD, 1,5 mm stena)
5 let (43.800 ur) 205 stopinj 12 W/cm2 10 W/cm2
2 leti (17.500 ur) 215 stopinj 18 W/cm2 15 W/cm2
1 leto (8760 ur) 225 stopinj 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mesecev (4380 ur) 235 stopinj 32 W/cm² 28 W/cm²
Samo servis v sili (1 mesec) 250 stopinj 45 W/cm² 40 W/cm²
Inženirska zasnova za preprečevanje hidriranja

Temperatura notranje stene je določena z uporabo temperature vode, toplotnega toka (q), debeline stene (t) in toplotne prevodnosti titana (k=17 W/m·K pri 200 stopinjah): ΔT=(q × t) / k. Za 1,2 mm steno pri 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 stopinj. Voda v razsutem stanju pri 200 stopinjah --notranja stena pri 214 stopinjah --nad 2-letno življensko dobo. Zanimivo je, da zmanjšanje debeline stene zmanjša notranjo temperaturo stene za enak toplotni tok. 0.8 mm stene 20 W/cm$^2$ da $\\Delta T$=9$^o$C, notranja stena pri 209$^o$C, sprejemljiva za 5-letno življenjsko dobo. Tanjše stene so zato boljše za odpornost proti hidriranju za razliko od običajne filozofije načrtovanja za korozijo. Katalitični vpliv paladija na rekombinacijo vodika zviša mejno temperaturo notranje stene titana stopnje 7 (stabiliziranega s paladijem) za približno 15–20 stopinj.

Obveščena specifikacija

Na primer, če je titanov grelnik določen za 200-stopinjsko stisnjeno vodo, izračunajte temperaturo notranje stene iz želenega toplotnega toka in predlagane debeline stene. Za katero koli aplikacijo, ki potrebuje življenjsko dobo, daljšo od 2 let, ne presezite 210 stopinj. Če so potrebe po toplotnem toku > 25 W/cm2, zmanjšajte debelino stene, da zmanjšate ΔT, ali zagotovite titan razreda 7. Razširite toplotni tok. Uporabite več grelnikov z nizko gostoto w namesto enega grelnika z visoko gostoto wattov. Spremljajte električni upor grelnika med delovanjem. 10–15-odstotno zvišanje nad izhodiščem kaže na proizvodnjo hidridov in krhkost. Namestite termočlen na zunanjo steno cevi in ​​sproti izračunavajte temperaturo notranje stene. Če izračunana temperatura notranje stene preseže 230 stopinj C za več kot 100 kumulativnih ur, odstranite grelnik iz uporabe ne glede na preostalo debelino stene. Namesto da bi upravljal temperaturo vode, inženir nadzoruje temperaturo notranje stene. To preprečuje postopno odpoved vodikove krhkosti v visokotemperaturnih vodnih sistemih.