За потопљено загревање топле (200 степени) компримоване воде у посуди под притиском, која је максимална дозвољена температура зида цеви пре него што дође до хидратације?

Потопљено грејање са компресованом водом од 200 степени Ц представља посебну потешкоћу за грејаче са титанијумом. На овој температури вода је само течна под високим притиском (око 16 бара). Висока температура и водена средина под високим притиском изазива термодинамичку нестабилност титанијума у ​​односу на апсорпцију водоника. Хидрирање, на пример, је дифузно-контролисано и напредује без површинске корозије или питинга; не долази до евидентног оштећења површине све док крхкост не изазове нагли прелом. Температура зида цеви, а не температура воде у расутом стању, је регулациони параметар за хидратацију. Топлотни ток из унутрашњег грејног елемента загрева унутрашњи зид титанијумске цеви много топлије него спољашњи зид у контакту са водом. На неком нивоу ове температуре унутрашњег зида, брзина апсорпције водоника постаје превисока и производња хидрида се дешава месецима, а не годинама.

Механизам високотемпературног хидрирања у компресованој води

Вода се дисоцира на површини титанијума преко 150 степени: Х2О → Х+ + ОХ-. Протони се претварају у атомски водоник, који дифундује у титанијумску решетку. Растворљивост водоника у титанијуму драматично расте са температуром од 200 ппм на 100 степени до више од 1.500 ппм на 200 степени. Када локална концентрација водоника премаши терминалну растворљивост чврсте супстанце (ТСС), преципитира се титанијум хидрид (ТиХ2). Запремина хидридне фазе је 17% већа од околног титанијума што изазива унутрашње напетости које узрокују микропукотине. Референтни параметар је температура унутрашњег зида, која може бити 20-50 степени виша од спољашњег зида, у зависности од топлотног тока и дебљине зида. Дифузију покреће градијент концентрације водоника који ствара унутрашњи зид на 220 степени и спољашњи зид на 200 степени, до хладније спољне површине где се хидриди првенствено таложе.

Квантитативни однос између брзине хидратације и температуре унутрашњег зида

Контролисано тестирање у компресованој води на 200 степени (16 бара) на цевима од титанијума степена 2 под различитим топлотним токовима потврдило је следеће стопе хидратације како концентрација водоника расте на 1.000 сати:

Температура унутрашњег зида<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 унутрашњег зида: 210-230 степени Брзина хидратације: 50-100 ппм/1000 х. Време за достизање 2.000-4.000 сати ТСС (3-6 месеци). Потребне су честе инспекције и маргинални сервис.

Температура унутрашњег зида. 230 до 250 °Ц: Брзина хидратације 200 до 400 ппм/1000 х. Време да се постигне ТСС од 500-1000 сати (3-6 недеља). Хидридне плочице металографски видљиве након 500 сати.

Температура унутрашњег зида > 250 степени: Брзина хидратације > 500 ппм/1.000 сати. ТСС је прешао за 200-400 сати. Уочено површинско печење и пуцање. Катастрофални неуспех је неизбежан.

Водич за израчунавање максималне дозвољене температуре унутрашњег зида

Табела испод даје реалистичан приступ за процену максималне дозвољене температуре унутрашњег зида и пратећих ограничења топлотног флукса за жељени радни век.

Максимална дозвољена температура унутрашњег зида на 200 степени воде Жељени радни век Сличан максимални топлотни ток (ОД 20 мм, зид 1,2 мм) Еквивалентни максимални топлотни ток (25 мм ОД, 1,5 мм зид)
5 година (43.800 сати) 205 степени 12 В/цм2 10 В/цм2
2 године (17.500 сати) 215 степени 18 В/цм2 15 В/цм2
1 година (8.760 сати) 225 степени 25 В/цм2 22 В/цм2
6 месеци (4.380 сати) 235 степени 32 В/цм² 28 В/цм²
Само хитна помоћ (1 месец) 250 степени 45В/цм² 40В/цм²
Инжењерски дизајн за спречавање хидрирања

Температура унутрашњег зида се одређује коришћењем температуре воде у маси, протока топлоте (к), дебљине зида (т) и топлотне проводљивости титанијума (к=17 В/м·К на 200 степени): ΔТ=(к × т) / к. За зид од 1,2 мм при 20 В/цм2, ΔТ=(200,000 В/м2 × 0,0012 м) / 17 В/м·К=14 степен. Вода у расутом стању на 200 степени --унутрашњи зид на 214 степени --преко границе од 2 године. Занимљиво је да смањење дебљине зида смањује температуру унутрашњег зида за исти топлотни ток. 0.8 мм зид 20 В/цм$^2$ даје $\\Делта Т$=9$^о$Ц, унутрашњи зид на 209$^о$Ц, прихватљив за 5-годишњи живот. Тањи зидови су стога бољи за отпорност на хидратацију за разлику од уобичајене филозофије дизајна за корозију. Каталитички утицај паладијума на рекомбинацију водоника подиже граничну температуру унутрашњег зида титанијума степена 7 (стабилизован са паладијумом) за приближно 15–20 степени.

Информисана је спецификација

На пример, ако је грејач од титанијума одређен за услугу компримоване воде од 200 степени, израчунајте температуру унутрашњег зида из жељеног топлотног флукса и предложене дебљине зида. За било коју примену којој је потребан радни век дужи од 2 године не прелази 210 степени. Ако су потребе за топлотним током > 25 В/цм2, или смањите дебљину зида да бисте минимизирали ΔТ или обезбедите титанијум степена 7. Раширите ток топлоте. Користите много грејача ниске густине уместо једног грејача велике густине. Пратите електрични отпор грејача у раду. Повећање од 10-15% у односу на основну линију указује на производњу хидрида и крхкост. Инсталирајте термоелемент на спољни зид цеви и непрекидно израчунајте температуру унутрашњег зида. Ако израчуната температура унутрашњег зида пређе 230 степени Ц током више од 100 кумулативних сати, искључите грејач из употребе без обзира на преосталу дебљину зида. Уместо да управља температуром воде у расутом стању, инжењер контролише температуру унутрашњег зида. Ово спречава постепени отказ водоничне кртости у системима воде на високим температурама.