Jaka jest maksymalna dopuszczalna temperatura ścianki rury przed wystąpieniem uwodornienia w przypadku zanurzonego ogrzewania gorącej (200 stopni) sprężonej wody w zbiorniku ciśnieniowym?

Ogrzewanie zanurzeniowe sprężoną wodą o temperaturze 200 stopni C stwarza szczególne trudności w przypadku tytanowych grzałek zanurzeniowych. W tej temperaturze woda jest cieczą tylko pod wysokim ciśnieniem (około 16 barów). Środowisko wodne o wysokiej temperaturze i ciśnieniu powoduje termodynamiczną niestabilność tytanu w odniesieniu do absorpcji wodoru. Na przykład uwodornianie jest-kontrolowane dyfuzyjnie i przebiega bez korozji powierzchniowej lub wżerów; nie następuje żadne widoczne pogorszenie powierzchni, dopóki kruchość nie spowoduje nagłego pęknięcia. Parametrem regulującym wodorkowanie jest temperatura ścianki rury, a nie temperatura wody w masie. Strumień ciepła z wewnętrznego elementu grzejnego nagrzewa wewnętrzną ściankę tytanowej rurki znacznie cieplej niż zewnętrzna ściana stykająca się z wodą. Na pewnym poziomie temperatury ścianki wewnętrznej tempo absorpcji wodoru staje się nadmiernie wysokie, a produkcja wodorków następuje w ciągu miesięcy, a nie lat.

Mechanizm wysokotemperaturowego uwodornienia w wodzie sprężonej

Woda dysocjuje na powierzchni tytanu w temperaturze powyżej 150 stopni: H2O → H+ + OH-. Protony przekształcają się w wodór atomowy, który dyfunduje do sieci tytanu. Rozpuszczalność wodoru w tytanie gwałtownie rośnie w temperaturze od 200 ppm przy 100 stopniach do ponad 1500 ppm przy 200 stopniach. Kiedy lokalne stężenie wodoru przekracza końcową rozpuszczalność w ciele stałym (TSS), wytrąca się wodorek tytanu (TiH2). Objętość fazy wodorkowej jest o 17% większa niż otaczającego tytanu, co powoduje wewnętrzne naprężenia, które powodują mikropęknięcia. Parametrem decydującym jest temperatura ściany wewnętrznej, która może być o 20-50 stopni wyższa niż ściany zewnętrznej, w zależności od strumienia ciepła i grubości ścianki. Dyfuzja jest napędzana przez gradient stężenia wodoru utworzony przez ścianę wewnętrzną pod kątem 220 stopni i ścianę zewnętrzną pod kątem 200 stopni, w stronę chłodniejszej powierzchni zewnętrznej, gdzie preferencyjnie wytrącają się wodorki.

Ilościowy związek między szybkością uwodorniania a temperaturą ścianki wewnętrznej

Kontrolowane testy w wodzie sprężonej o temperaturze 200 stopni (16 barów) na rurach tytanowych klasy 2 przy różnych strumieniach ciepła potwierdziły następujące szybkości uwodornienia wraz ze wzrostem stężenia wodoru na 1000 godzin:

Temperatura ścian wewnętrznych<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 ścianki wewnętrznej: 210-230 stopni Szybkość uwodorniania: 50-100 ppm/1000 godz. Czas osiągnięcia 2000-4000 godzin TSS (3-6 miesięcy). Wymaga częstych przeglądów i marginalnej obsługi.

Temperatura ścianki wewnętrznej. 230 do 250 stopni C: Szybkość utwardzania 200 do 400 ppm/1000 godz. Czas osiągnięcia TSS wynoszącego 500-1000 godzin (3-6 tygodni). Płytki wodorkowe widoczne metalograficznie po 500 godzinach.

Temperatura ścianki wewnętrznej > 250 stopni: Szybkość uwodorniania > 500 ppm/1000 godzin. TSS przekroczyło 200-400 godzin. Zaobserwowano przypalenia i pęknięcia powierzchni. Katastrofalna awaria jest nieuchronna.

Przewodnik obliczeniowy dla maksymalnej dopuszczalnej temperatury ściany wewnętrznej

Poniższa tabela przedstawia realistyczne podejście do szacowania maksymalnej dopuszczalnej temperatury ścianki wewnętrznej i towarzyszących jej ograniczeń strumienia ciepła dla pożądanego okresu użytkowania.

Maksymalna dopuszczalna temperatura ścianki wewnętrznej przy 200 stopniach Woda Żądany okres użytkowaniaPodobny maksymalny strumień ciepła (średnica zewnętrzna 20 mm, ściana 1,2 mm) Równoważny maksymalny strumień ciepła (średnica zewnętrzna 25 mm, ściana 1,5 mm)
5 lat (43 800 godzin) 205 stopni 12 W/cm2 10 W/cm2
2 lata (17 500 godzin) 215 stopni 18 W/cm2 15 W/cm2
1 rok (8760 godzin) 225 stopni 25 W/cm2 22 W/cm2
6 miesięcy (4380 godzin) 235 stopni 32 W/cm² 28 W/cm²
Tylko serwis awaryjny (1 miesiąc) 250 stopni 45 W/cm² 40 W/cm²
Projekt techniczny zapobiegający uwodnieniu

Temperaturę ścian wewnętrznych określa się na podstawie temperatury wody w masie, przepływu ciepła (q), grubości ścianki (t) i przewodności cieplnej tytanu (k=17 W/m·K w temperaturze 200 stopni): ΔT=(q × t) / k. Dla ściany o grubości 1,2 mm przy 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 stopnia . Woda zbiorcza o temperaturze 200 stopni --ściana wewnętrzna o temperaturze 214 stopni - ponad 2-letni okres trwałości. Co ciekawe, zmniejszenie grubości ścianki powoduje zmniejszenie temperatury wewnętrznej ściany przy tym samym strumieniu ciepła. 0.8 mm ściany 20 W/cm$^2$ daje $\\Delta T$=9$^o$C, wewnętrzna ściana wynosi 209$^o$C, akceptowalna przez 5 lat życia. Cieńsze ścianki są zatem lepsze pod względem odporności na wodorowanie, w przeciwieństwie do zwykłej filozofii projektowania dotyczącej korozji. Katalityczny wpływ palladu na rekombinację wodoru podnosi progową temperaturę wewnętrznej ścianki tytanu klasy 7 (stabilizowanego palladem) o około 15–20 stopni.

Specyfikacja poinformowana

Na przykład, jeśli do instalacji sprężonej wody o temperaturze 200 stopni przeznaczony jest grzejnik tytanowy, należy obliczyć temperaturę ścianki wewnętrznej na podstawie pożądanego strumienia ciepła i proponowanej grubości ścianki. W przypadku wszelkich zastosowań wymagających trwałości użytkowej przekraczającej 2 lata nie przekraczaj 210 stopni. Jeśli zapotrzebowanie na strumień ciepła wynosi > 25 W/cm2, należy albo zmniejszyć grubość ścianki, aby zminimalizować ΔT, albo zastosować tytan klasy 7. Rozłóż strumień ciepła. Używaj wielu grzejników o niskiej gęstości mocy zamiast jednego grzejnika o dużej gęstości mocy. Monitoruj oporność elektryczną działającego grzejnika. Wzrost o 10–15% w stosunku do wartości wyjściowych wskazuje na wytwarzanie wodorków i kruchość. Zamontuj termoparę na zewnętrznej ściance rury i stale obliczaj temperaturę wewnętrznej ścianki. Jeżeli obliczona temperatura ścian wewnętrznych przekracza 230 stopni C przez łącznie ponad 100 godzin, należy wyłączyć grzejnik z eksploatacji niezależnie od pozostałej grubości ścianki. Zamiast kontrolować temperaturę wody, inżynier kontroluje temperaturę wewnętrznej ściany. Zapobiega to stopniowemu niszczeniu kruchości wodorowej w wysokotemperaturowych układach wodnych.