Када користите титанијумске имерзионе грејаче у геотермалним течностима богатим бромидом-, који је максимални дозвољени топлотни ток пре него што локализована корозија започне?

Стандардни метални грејачи пате од посебног проблема агресивне хемије геотермалних флуида из дубоких бунара. Неке геотермалне слане воде имају концентрације бромида које достижу чак 500–1.200 ппм, а неке такође укључују хлорид (10.000–30.000 ппм), растворене сулфиде и високе температуре (120–200 степени на ушћу бунара). Титанијум степена 2 или 7 се често користи за општу отпорност на корозију, али бромидни јони представљају посебну претњу: они нападају пасивни оксидни филм агресивније од хлорида у условима високог топлотног флукса. Максимални дозвољени топлотни флукс, тј. топлотна снага која се преноси по јединици површине цеви, одлучује да ли ће грејач безбедно радити годинама или ће пропасти услед локализованог удубљења у року од неколико месеци. Када се прекорачи критични топлотни ток, површинска електрохемија се мења из пасивне у активну и то резултира формирањем удубљења које ће брзо пробушити чак и цеви са{17}}иним зидовима.

Механизам питтинга изазваног бромидом{0}} при високом топлотном флуксу

Заштитни ТиО₂ премаз на титанијуму је стабилан само у одређеном електрохемијском потенцијалу и температурном опсегу. Имерзиони грејач убризгава електричну енергију у геотермални раствор соли, а температура површине цеви премашује температуру течности за делту (ΔТ) пропорционалну топлотном флуксу и обрнуто пропорционалну коефицијенту преноса топлоте. За типично стање турбулентног протока (х=5, 000 В/м2К) топлотни ток од 50 кВ/м2 даје ΔТ од скоро 10 степени. Јони бромида су већи и мање хидратисани од хлоридних јона и тако се јаче адсорбују на титанијумским површинама на повишеним температурама. За топлотне токове који прелазе граничну вредност{10}}специфичну за материјал, локална површинска температура покреће електрохемијски потенцијал у транспасивни регион и оксидни филм нестаје. Када се јама формира, велика густина струје у јами доводи до локалног закисељавања ( пХ може бити мањи од 1 ) и јони бромида се комбинују са јонима титанијума који блокирају репасивацију . Подаци испитивања геотермалног поља показују да је суштински топлотни ток за слане растворе бромида отприлике 30–40% нижи него за слане растворе само са хлоридом-у једнаким концентрацијама.

Квантитативни однос између концентрације бромида, топлотног флукса и времена питтинга

Лабораторијским истраживањима утврђен је конзервативни сигуран радни омотач електрохемијским праћењем буке. За титанијум 2. степена у симулираној геотермалној сланој води која садржи 800 ппм Бр−, 15.000 ппм Цл− и 130 степени температуре, следећи односи су:

Топлотни ток < 25 кВ/м²: густина пасивне струје < 0,1 µА/цм². Нема питинга на 5.000 сати

25–35 кВ/м2: Долази до метастабилног питинга (тренутни транзијенти од 1–10 µА) иако је репасивација обично успешна. Стабилизиране јаме продиру у дебљину зида од 0,5 мм за 1.500 до 2.000 сати.

Топлотни ток 35–45 кВ/м 2 : стабилно питинг почиње након 200–500 х. повећање брзине раста јаме са 0,01 мм/х на 0,05 мм/х

Топлотни флукс > 45 кВ/м²: Брзо удубљење изазива перфорацију зида цеви од 1,2 мм у<300 hours.

Критични топлотни ток титанијума 7- класе (паладиј 0,12-0,25%) се повећава за око 30% због каталитичког утицаја племенитог метала на поновну пасивацију. Максимални дозвољени топлотни ток за дуготрајан рад (10 година век трајања са<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Водич за избор топлотног флукса заснован на сценарију{0}

Табела у наставку даје оквир избора на основу специфичног састава геотермалне слане воде и оперативне стратегије.

Стање геотермалне слане воде и оперативни приоритет Препоручени максимални топлотни ток Језгро Образложење и размена-Не разматра се
бромид<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.
Бромид 300–800 ппм, рад са прекидима (дневни термички циклус) Титанијум 7 степена 30–35 кВ/м2 Бициклирање помаже у смањењу кумулативне штете. Оцена 7 нуди маргину репасивације. Смањен флукс повећава површину грејача за 15 до 25 процената.
Bromide >800 ппм, присутне стагнирајуће зоне (загревање резервоара са малим протоком) Степен 7 или Степен 12 20-25 кВ/м2 Конзервативни дизајн за безбедност. Потребна је већа дужина грејача или више од једног грејача. Захтева скупљи капитал.
Слана отопина{0}}богата бромидом са водоник-сулфидом (Х2С > 50 ппм) Било који титанијум који је мањи од или једнак 20 кВ/м2 Сулфиди се такмиче са оксидацијом. Потребан је веома минималан флукс. Погледајте друге материјале (нпр. титанијум-паладијум са катодном заштитом).
Инжењеринг изван топлотног флукса

The flow velocity should not be neglected in the evaluation of heat flux. For velocities below 0.3 m/s the thickness of the boundary layer rises, increasing the tube surface temperature for the same heat flux by an extra 5–8℃. This effectively reduces the maximum permissible flux by 15-20%. The reaction also depends on the wall thickness, as thicker walls increase the period of pit propagation, but not the initiation threshold. Therefore, for bromide-rich geothermal fluids it is better to use a lower heat flux with a conventional 1.0 mm wall than to increase the wall thickness to 1.5 mm without affecting the power density. Frequent monitoring of the brine oxidation-reduction potential (ORP) provides an early warning: a drop in the ORP below +200 mV vs. Ag/AgCl near the tube surface precedes the onset of pitting.

Наводећи са сигурношћу

Купац треба да наведе сертификовани максимални дозвољени топлотни флукс заснован на стварној хемији слане воде или стандардном тестирању (АСТМ Г78 за корозију у пукотинама са примењеним топлотним флуксом) при избору титанијумског урањајућег грејача за геотермалне течности-напуњене бромидом, и да провери да ли је то урадио добављач. Користите титанијум степена 7 када бромид прелази 500 ппм или када оперативна несигурност захтева сигурносну маргину. Дизајн низа грејача треба да минимизира површински топлотни ток на мање од 30 кВ/м2 у већини ситуација, коришћењем дужих или бројних грејних елемената уместо веће густине у ватима. Ова конзервативна метода претвара титанијумски грејач из компоненте високог ризика у поуздано средство у једном од најтежих индустријских флуидних окружења.