Za potopljeno grijanje vruće (200 stupnjeva) stlačene vode u posudi pod tlakom, koja je najveća dopuštena temperatura stijenke cijevi prije nego dođe do hidratacije?

Potopljeno grijanje s stlačenom vodom od 200 stupnjeva C predstavlja posebnu poteškoću za titanske uronjene grijače. Na ovoj temperaturi voda je samo tekuća pod visokim pritiskom (oko 16 bara). Vodeno okruženje visoke temperature i visokog tlaka uzrokuje termodinamičku nestabilnost titana s obzirom na apsorpciju vodika. Na primjer, hidratiziranje je-kontrolirano difuzijom i napreduje bez površinske korozije ili rupičaste korozije; ne dolazi do vidljivog pogoršanja površine sve dok krtost ne uzrokuje nagli lom. Regulacijski parametar za hidridiranje je temperatura stijenke cijevi, a ne temperatura vode. Toplinski tok iz unutarnjeg grijaćeg elementa zagrijava unutarnju stijenku titanske cijevi puno toplije od vanjske stijenke u dodiru s vodom. Na nekoj razini te temperature unutarnje stijenke stopa apsorpcije vodika postaje pretjerano visoka i proizvodnja hidrida se događa u mjesecima, a ne u godinama.

Mehanizam visokotemperaturnog hidriranja u stlačenoj vodi

Voda disocira na površini titana preko 150 stupnjeva: H2O → H+ + OH-. Protoni se pretvaraju u atomski vodik, koji difundira u rešetku titana. Topljivost vodika u titanu dramatično raste s temperaturom od 200 ppm na 100 stupnjeva do više od 1500 ppm na 200 stupnjeva. Kada lokalna koncentracija vodika premaši terminalnu topljivost u čvrstim tvarima (TSS), taloži se titanijev hidrid (TiH2). Volumen hidridne faze je 17% veći od okolnog titana što uzrokuje unutarnje napetosti koje uzrokuju mikropukotine. Regulirajući parametar je temperatura unutarnje stijenke, koja može biti 20-50 stupnjeva viša od vanjske stijenke, ovisno o toplinskom toku i debljini stijenke. Difuziju pokreće gradijent koncentracije vodika koji stvaraju unutarnja stijenka na 220 stupnjeva i vanjska stijenka na 200 stupnjeva, do hladnije vanjske površine gdje se preferirano talože hidridi.

Kvantitativni odnos između brzine hidratacije i temperature unutarnje stijenke

Kontrolirano ispitivanje u komprimiranoj vodi na 200 stupnjeva (16 bara) na titanskim cijevima Grade 2 pod različitim toplinskim tokovima potvrdilo je sljedeće stope hidriranja kao porast koncentracije vodika na 1000 sati:

Temperatura unutarnje stijenke<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 unutarnje stijenke: 210-230 stupnjeva Stopa hidratacije: 50-100 ppm/1000 h. Vrijeme za postizanje 2.000-4.000 sati TSS (3-6 mjeseci). Potrebna je česta inspekcija i marginalni servis.

Temperatura unutarnje stijenke. 230 do 250 stupnjeva C: Stopa hidratacije 200 do 400 ppm/1000 sati. Vrijeme za postizanje TSS-a od 500-1000 sati (3-6 tjedana). Hidridne pločice metalografski vidljive nakon 500 sati.

Temperatura unutarnje stijenke > 250 stupnjeva: Stopa hidratacije > 500 ppm/1000 sati. TSS nadmašen za 200-400 sati. Uočeno površinsko pečenje i pucanje. Katastrofalni neuspjeh je neizbježan.

Vodič za izračun maksimalne dopuštene temperature unutarnje stijenke

Donja tablica daje realan pristup za procjenu maksimalne dopuštene temperature unutarnje stijenke i pratećih ograničenja toplinskog toka za željeni vijek trajanja.

Maksimalno dopuštena temperatura unutarnje stijenke pri 200 stupnjeva vode Željeni vijek trajanja Sličan maksimalni toplinski tok (OD 20 mm, stijenka 1,2 mm) Ekvivalentni maksimalni toplinski tok (25 mm OD, 1,5 mm stijenka)
5 godina (43.800 sati) 205 stupnjeva 12 W/cm2 10 W/cm2
2 godine (17 500 sati) 215 stupnjeva 18 W/cm2 15 W/cm2
1 godina (8760 sati) 225 stupnjeva 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mjeseci (4380 sati) 235 stupnjeva 32 W/cm² 28 W/cm²
Samo hitna služba (1 mjesec) 250 stupnjeva 45 W/cm² 40 W/cm²
Inženjerski dizajn za sprječavanje hidratacije

Unutarnja temperatura stijenke određena je korištenjem temperature vode, protoka topline (q), debljine stijenke (t) i toplinske vodljivosti titana (k=17 W/m·K na 200 stupnjeva): ΔT=(q × t) / k. Za zid od 1,2 mm pri 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 stupanj. Voda u rasutom stanju na 200 stupnjeva --unutarnji zid na 214 stupnjeva --iznad 2-godišnjeg životnog ograničenja. Zanimljivo, smanjenje debljine stijenke smanjuje temperaturu unutarnje stijenke za isti toplinski tok. 0.8 mm stijenke 20 W/cm$^2$ daje $\\Delta T$=9$^o$C, unutarnja stijenka na 209$^o$C, prihvatljivo za 5-godišnji život. Tanje stijenke su stoga bolje za otpornost na hidrataciju za razliku od uobičajene filozofije dizajna za koroziju. Katalitički utjecaj paladija na rekombinaciju vodika podiže prag temperature unutarnje stijenke titana razreda 7 (stabiliziranog paladijem) za približno 15-20 stupnjeva.

Obavijestena specifikacija

Na primjer, ako je grijač od titana specificiran za stlačenu vodu od 200 stupnjeva, izračunajte temperaturu unutarnje stijenke iz željenog toplinskog toka i predložene debljine stijenke. Za bilo koju primjenu kojoj je potreban životni vijek duži od 2 godine nemojte prelaziti 210 stupnjeva. Ako su potrebe za toplinskim protokom > 25 W/cm2, smanjite debljinu stjenke kako biste smanjili ΔT ili osigurajte titan razreda 7. Raširite protok topline. Koristite mnogo grijača niske gustoće vata umjesto jednog grijača velike gustoće vata. Pratite električni otpor grijača u radu. Porast od 10–15% u odnosu na početnu vrijednost ukazuje na proizvodnju hidrida i krtost. Postavite termoelement na vanjsku stijenku cijevi i kontinuirano računajte temperaturu unutarnje stijenke. Ako izračunata temperatura unutarnje stijenke prijeđe 230 stupnjeva C tijekom više od 100 kumulativnih sati, isključite grijač iz upotrebe bez obzira na preostalu debljinu stijenke. Umjesto upravljanja temperaturom vode, inženjer kontrolira temperaturu unutarnje stijenke. Ovo sprječava postupni kvar vodikove krtosti u visokotemperaturnim vodenim sustavima.