Kada se titanska grijaća cijev koristi za ponovno zagrijavanje kondenzirane pare koja sadrži naslage amonijevog klorida (NH₄Cl) u nadzemnom vodu rafinerije, kako debljina naslaga ispod plašta uzrokuje lokalizirane vruće točke i stvaranje vodikovih mjehurića?

Osnovni kompromis-u dizajnu grijača od titana za režijske usluge rafinerije
Nadzemne cijevi u rafineriji imaju naslage amonijevog klorida (NH4 Cl) u kondenzatu pare. Naslage nastaju miješanjem NH3 i HCl iz obrade sirove nafte u kondenzacijskoj pari. Titanijske grijaće cijevi postavljene su za ponovno zagrijavanje kondenzata kako bi se spriječila korozija u nizvodnom cjevovodu od ugljičnog čelika. Naslage NH₄Cl nakupljaju se na površini omotača od titana. Ove naslage su higroskopne i daju koncentriranu slanu vodu kada su mokre. Njihov najkritičniji učinak je toplinski: NH4Cl ima vrlo nisku toplinsku vodljivost (oko 0,5-0,8 W/mK) u usporedbi s titanom (17 W/mK). Jedno taloženje sloja debljine 1 mm uzrokuje temperaturni skok od 20-40 stupnjeva na kontaktu talog-titan. Ovo lokalno pregrijavanje stvara dva načina kvara: vruće točke koje oštećuju unutarnju MgO izolaciju i stvaranje vodikovih mjehurića zbog raspada NH4Cl. Debljina stijenke povećava porast temperature, ali debljina naslaga je dominantna varijabla. Ovo istraživanje pokazuje mehanizam i da je upravljanje naslagama značajnije od debljine stijenke.

Mehanizam stvaranja mjehurića vodika - Utjecaj na mehanički integritet
The ammonium chloride decomposes under the NH₄Cl deposit at a titanium sheath temperature >120 stupnjeva: NH₄Cl → NH3 + HCl. HCl je prilično korozivan i oštećuje pasivni sloj titana, proizvodeći atomski vodik kao-nusprodukt: Ti + 3HCl → TiCl₃ + 3H. Atomski vodik se uzima u rešetku titana. Ponovno se -kombinira u molekulski H2 na granici zrna, ili u inkluziji ili praznini. Plin vodik ne može dalje difundirati i lokalno stvara pritisak stvarajući mjehuriće-izdignute, kupolaste-izbočine na površini omotača. Mjehurići mogu biti promjera 2-5 mm i visine 0,1-0,5 mm. Mjehur puca dok se vodik još uvijek proizvodi. To čini jamu koja prolazi kroz zid.

The deposit below which breakdown occurs is remarkably thin. Field measurements of NH4Cl deposits of 0.5-1.0 mm on refinery overhead lines show sheath surface temperatures of 140-180°C at typical heat flux (2.0 W/cm2) above decomposition temperature of 120°C. Thicker deposits (2–3 mm) can reach temperatures >250 stupnjeva i proizvode brzo stvaranje mjehurića vodika.

Učinak na toplinsku izvedbu: Izračun porasta temperature
Porast temperature sučelja na naslagama Ti-je Delta T=qx t_deposit / k_deposit, pri čemu je q protok topline, t_deposit debljina taloga, a k_deposit toplinska vodljivost NH₄Cl (~0,6 W/m·K). Za tipični toplinski tok od 2,0 W/cm^2 (20 000 W/m^2) talog od 1,0 mm NH4Cl daje ΔT= 20,000x0,001/0.6=33 stupanj. Kada je temperatura kondenzata 100 stupnjeva, površina titana ispod naslaga se zagrijava na 133 stupnja. Dodatni pad zbog debljine stjenke titana je manji (1-2 stupnja) i minimalan je s obzirom na učinak naslaga.

Kompromis između sinteze: debljina sloja naspram potrebne debljine stijenke
Debljina naslaga NH4Cl (mm) Površinska temperatura ispod naslaga (stupnjevi) (q=2.0 W/cm2, masa=100 stupanj ) Rizik od stvaranja mjehurića od vodika Potrebna tolerancija mjehurića Debljina stijenke titana (mm) mm 0.2 107 stupanj Ništa (Ispod praga od 120 stupnjeva ) 0,8 (Strukturalno) 0.5 117 stupanj Nisko (Marginalno) 1.0 1.0 133 stupanj Umjereno (Stvaranje mjehurića u mjesecima) 1,5 (Plikovi će se i dalje stvarati)
2.0 mm 167 °C High (blistering in weeks) >3 mm (neučinkovito)
3,0 mm 200 stupnjeva Jako (brzo stvaranje mjehurića) Nepraktično
Čak i stijenka od 1,5 mm ne prestaje stvarati mjehuriće, to samo znači da dobivate više materijala prije nego što mjehur pukne i iscuri. Samo rješenje je izbjegavanje taloženja, a ne debljine stijenke.

Inženjering zida: Sprečavanje naslaga i čišćenje
Debljina naslaga je glavna varijabla. Najbolje metode su one koje ne dovode do nakupljanja NH4Cl. Instaliran je sustav za pranje vodom koji povremeno prska grijač deioniziranom vodom kako bi se otopile naslage NH₄Cl prije nego postanu deblje od 0,2 mm. Debljina naslaga je manja od 0,2 mm, a površinska temperatura manja je od 110 stupnjeva. Svakodnevnim pranjem ne primjećuju se mjehurići bez obzira na debljinu stijenke. Ili PTFE neljepljivi premaz (25–50 µm) sprječava lijepljenje NH 4 Cl na površini titana. Premaz ne smije imati rupice jer će temperaturni gradijent brzo stvoriti talog na izloženom titanu. Druga je mogućnost da grijač radi s nižim toplinskim protokom (1,0 W/cm 2 umjesto 2,0 W/cm 2 ), što smanjuje Δ T kroz naslage od 1,0 mm s 33 stupnja na 17 stupnjeva, dok održava površinu ispod 120 stupnjeva čak i sa značajnim naslagama-. To je kompromis između veće površine grijača ili duljeg vremena zagrijavanja.

Zaključak: Debljina stijenke ne sprječava stvaranje mjehura, nego upravljanje depozitima
Kada se kondenzirajuća para koja sadrži naslage amonijevog klorida ponovno zagrijava pomoću titanijske grijaće cijevi u nadzemnom vodu rafinerije, debljina naslaga ispod plašta je glavna varijabla koja utječe na lokalizirane vruće točke i stvaranje vodikovih mjehurića. NH4Cl ima vrlo nisku toplinsku vodljivost (≈0,6 W/mK), stoga naslaga od 1,0 mm uzrokuje povećanje temperature površine titana od 33 stupnja pri tipičnom protoku topline, prelazeći prag razgradnje od 120 stupnjeva. Razgradnja dovodi do HCl korozije, što rezultira atomskim vodikom koji uzrokuje stvaranje mjehurića i konačno curenje. Preporučena specifikacija nije deblja stijenka od titana (mala prednost), već strategija za sprječavanje naslaga: ili svakodnevno čišćenje vodom kako bi debljina naslaga bila ispod 0,2 mm ili PTFE premaz koji se ne lijepi. Debljina stijenke nije glavna varijabla u kontroli stvaranja mjehurića, iako bi trebala biti 1,2–1,5 mm za strukturnu stabilnost. Proizvođaču dostavite predviđenu koncentraciju NH₄Cl i izvedivost vodenog pranja. Ako ne regulirate naslage, čak i titanijska stijenka od 3,0 mm može nabubriti i raspasti se za nekoliko mjeseci." Kontrola naslaga nudi više od 10 godina radnog vijeka u osnovnoj stijenci od 1,2 mm.