Kolikšen je največji dovoljeni toplotni tok pred začetkom lokalne korozije pri uporabi potopnih grelnikov iz titana v geotermalnih-tekočinah, bogatih z bromidom?

Standardni kovinski grelniki trpijo zaradi posebnega problema agresivne kemije geotermalnih tekočin iz globokih vrtin. Nekatere geotermalne slanice imajo koncentracije bromida do 500–1200 ppm, nekatere pa vključujejo tudi klorid (10.000–30.000 ppm), raztopljene sulfide in visoke temperature (120–200 stopinj na ustju vrtine). Titan stopnje 2 ali stopnje 7 se pogosto uporablja za splošno odpornost proti koroziji, vendar bromidni ioni predstavljajo posebno grožnjo: napadajo pasivni oksidni film bolj agresivno kot klorid v okoliščinah visokega toplotnega toka. Največji dovoljeni toplotni tok, tj. toplotna moč, sporočena na enoto površine cevi, odloča o tem, ali bo grelnik varno deloval več let ali pa bo v nekaj mesecih odpovedal zaradi lokaliziranega pitinga. Ko je kritični toplotni tok presežen, se površinska elektrokemija spremeni iz pasivne v aktivno, kar ima za posledico nastanek jam, ki bodo hitro preluknjale celo cevi z debelimi-stenami.

Mehanizem bromid{0}}induciranega pitinga pri visokem toplotnem toku

Zaščitna prevleka TiO₂ na titanu je stabilna le v določenem elektrokemijskem potencialu in temperaturnem območju. Potopni grelnik vbrizga elektriko v geotermalno slanico in temperatura površine cevi presega temperaturo tekočine v razsutem stanju za delto (ΔT), ki je sorazmerna s toplotnim tokom in obratno sorazmerna s koeficientom prenosa toplote. Za tipično stanje turbulentnega toka (h=5,000 W/m2K) toplotni tok 50 kW/m2 povzroči ΔT skoraj 10 stopinj. Bromidni ioni so večji in manj hidrirani kot kloridni ioni in se zato močneje adsorbirajo na titanove površine pri višjih temperaturah. Pri toplotnih tokovih, ki presegajo-specifično mejno vrednost materiala, lokalna površinska temperatura požene elektrokemični potencial v transpasivno območje in oksidni film odpove. Ko jamica nastane, visoka gostota toka v jami povzroči lokalno zakisanje (pH je lahko nižji od 1) in bromidni ioni se združijo s titanovimi ioni, ki blokirajo ponovno pasivacijo. Podatki geotermalnih terenskih preskusov kažejo, da je bistveni toplotni tok za bromidne slanice približno 30–40 % nižji kot za kloridne-slanice pri enakih koncentracijah.

Kvantitativno razmerje med koncentracijo bromida, toplotnim tokom in časom pitinga

Laboratorijske preiskave so s spremljanjem elektrokemičnega hrupa vzpostavile konzervativen varen delovni ovoj. Za titan stopnje 2 v simulirani geotermalni slanici, ki vsebuje 800 ppm Br−, 15.000 ppm Cl− in temperaturo v razsutem stanju 130 stopinj, so naslednja razmerja:

Toplotni tok < 25 kW/m² : pasivna gostota toka < 0,1 µA/cm². Brez lukenj pri 5000 urah

25–35 kW/m2: pride do metastabilnega pitinga (tokovni prehodi 1–10 µA), čeprav je repasivacija običajno uspešna. Stabilizirane jamice predrejo stene debeline 0,5 mm v 1.500 do 2.000 urah.

Toplotni tok 35–45 kW/m 2 : stabilen piting se začne po 200–500 urah. povečanje hitrosti rasti jamice z 0,01 mm/uro na 0,05 mm/uro

Toplotni tok > 45 kW/m²: Hitro luknjanje povzroči perforacijo 1,2 mm stene cevi v<300 hours.

Kritični toplotni tok titana stopnje 7- (paladij 0,12-0,25 %) se zaradi katalitičnega vpliva plemenite kovine na ponovno pasivizacijo poveča za okoli 30 %. Največji dovoljeni toplotni tok za dolgotrajno delovanje (10 let življenjske dobe z<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Vodnik-za izbiro toplotnega toka na podlagi scenarija

Spodnja tabela podaja okvir izbire na podlagi specifične sestave geotermalne slanice in strategije delovanja.

Stanje geotermalne slanice in operativna prednostna naloga Priporočen maksimalni toplotni tok Osnovna utemeljitev in menjava-upoštevana
bromid<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
Bromid 300–800 ppm, delovanje s prekinitvami (dnevno toplotno kroženje) Titanium stopnje 7 30–35 kW/m2Cikel pomaga zmanjšati kumulativno škodo. Stopnja 7 ponuja mejo repasivacije. Zmanjšan pretok poveča površino grelnika za 15 do 25 odstotkov.
Bromide >800 ppm, prisotna stagnirana območja (ogrevanje posode z nizkim{1}}pretokom) Razred 7 ali Razred 12 20-25 kW/m2 Konzervativna zasnova za varnost. Potrebujete daljšo dolžino grelnika ali več kot en grelec. Zahteva dražji kapital.
Z- bromidom bogata slanica z vodikovim sulfidom (H2S > 50 ppm) Katera koli stopnja titana Manjši ali enak 20 kW/m2Sulfidi tekmujejo z oksidacijo. Potreben je zelo minimalen pretok. Poglejte druge materiale (npr. titan-paladij s katodno zaščito).
Inženiring onkraj toplotnega toka

Pri oceni toplotnega toka ne smemo zanemariti hitrosti toka. Pri hitrostih pod 0,3 m/s se debelina mejne plasti poveča, s čimer se poveča temperatura površine cevi za enak toplotni tok za dodatnih 5–8 stopinj. To dejansko zmanjša največji dovoljeni pretok za 15-20%. Reakcija je odvisna tudi od debeline stene, saj debelejše stene podaljšajo obdobje širjenja jame, ne pa iniciacijskega praga. Zato je za geotermalne tekočine, bogate z-bromidi, bolje uporabiti nižji toplotni tok z običajno steno debeline 1,0 mm kot povečati debelino stene na 1,5 mm, ne da bi to vplivalo na gostoto moči. Pogosto spremljanje oksidacijsko-redukcijskega potenciala (ORP) slanice daje zgodnje opozorilo: padec ORP pod +200 mV v primerjavi z Ag/AgCl blizu površine cevi je pred začetkom luknjanja.

Določitev z gotovostjo

Kupec mora pri izbiri potopnega grelnika iz titana za geotermalne tekočine, obremenjene z -bromidi, določiti certificiran največji dovoljeni toplotni tok, ki temelji na resnični kemiji slanice ali standardnem testiranju (ASTM G78 za režano korozijo z uporabljenim toplotnim tokom), in preveriti, ali to izvaja dobavitelj. Uporabite titan stopnje 7, ko bromid preseže 500 ppm ali ko obratovalna negotovost zahteva varnostno mejo. Zasnova niza grelnikov bi morala zmanjšati površinski toplotni tok na manj kot 30 kW/m2 v večini situacij z uporabo daljših ali številnih grelnih elementov namesto večje gostote v vatih. Ta konzervativna metoda spremeni titanov grelec iz komponente z visokim tveganjem v zanesljivo sredstvo v enem najtežjih industrijskih tekočih okolij.