Jaka grubość ścianki tytanu klasy 2 w podgrzewaczach solanki do odsalania (wielo-stopniowego rozprężania) w temperaturze 120 stopni z odpowietrzoną solanką zapobiega uszkodzeniom wodorowym?

Wielostopniowe podgrzewacze solanki z-odsalaniem błyskawicznym (MSF) działają w temperaturze 110–120 stopni z odpowietrzoną solanką (rozpuszczonym tlenem<20 ppb). Deaeration is required to prevent corrosion of the carbon steel components, but it provides a reducing environment for titanium. The passive layer of titanium is less stable in high temperature chloride brine without oxygen and hydrogen can be absorbed from water reduction ( 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − ) . Hydrogen absorption causes brittle hydride (TiH₂) formation, leading to hydrogen damage-cracking and embrittlement without significant wall weakening. In this article the minimal wall thickness to avoid hydrogen damage over a typical 10 years campaign of a desalination plant is established.

Mechanizm uszkodzenia wodoru w solance odgazowanej
W napowietrzonej solance tlen ulega redukcji na powierzchni tytanu, zachowując potencjał szlachetny i zapobiegając wydzielaniu się wodoru. W odpowietrzonej solance (tlen<20 ppb) the cathodic reaction is shifted to water reduction. Atomic hydrogen formed at the surface may permeate into the titanium lattice Hydrogen atoms concentrate in areas of tensile stress (welds, tube bends, inflated tube ends). Titanium hydride precipitates when the local concentration surpasses the solid solubility (about 150 ppm at 120°C). Hydride platelets are brittle and microcracking occurs. Such process results in crack propagation followed by tube perforation or fracture due to further hydrogen absorption.

Szybkość absorpcji wodoru jest funkcją temperatury, składu solanki i stanu powierzchni tytanu. Absorbuje wodór w solance MSF w temperaturze 120 stopni (70 000-80 000 ppm Cl-, odpowietrzony) 0,05-0,15 ppm/h Stopień 2

Czas do osiągnięcia krytycznego stężenia wodoru
Zaczynając od początkowego poziomu wodoru wynoszącego 30-50 ppm (wyżarzony stopień 2), czas potrzebny do osiągnięcia krytycznego progu 150 ppm wynosi: potrzebna absorpcja=100-120 ppm. Zakładając, że średni stopień absorpcji wynosi 0,10 ppm/godzinę, czas=100 / 0.10=1 000 godzin. Przy 0,15 ppm na godzinę, czas=100/0.15=667 godz.

Tak krótkie ramy czasowe (1-2 miesiące) pokazują, że stopień 2 szybko kruchy w odpowietrzonej solance w temperaturze 120 stopni. Jednakże w praktyce podgrzewacze solanki MSF wykorzystują odpowietrzoną solankę z resztkowym tlenem (10-20 ppb) i często działają w warunkach lekko utleniających na powierzchni tytanu z powodu chloraminy lub innych dodatków. W prawdziwych roślinach szybkość absorpcji jest niższa i wynosi 0,01–0,05 ppm na godzinę, zatem osiągnięcie stężenia krytycznego zajmuje 2 000–10 000 godzin (3–12 miesięcy). To wciąż zbyt wolno, aby zapewnić usługę długoterminową.

Grubość ścianki łagodzącej
Żadna grubość ścianki nie stanowi bariery dla absorpcji wodoru. Wodór dyfunduje w tytanie niezależnie od grubości ścianki. Grubsze ścianki zapewniają więcej materiału odpornego na pękanie wodorkowe przed perforacją. Po utworzeniu wodorku szczeliny przemieszczają się przez ścianę. Im grubsza ściana, tym dłużej będzie pękać.

Dla stopnia 2 w od-odpowietrzonej solance o temperaturze 120 stopni związek między grubością ścianki a czasem do perforacji w wyniku uszkodzenia wodorowego (po rozpoczęciu absorpcji) jest w miarę liniowy:

Grubość ścianki (mm) Czas do inicjacji pęknięcia wodorkowego (miesiące) Czas od inicjacji do perforacji (miesiące Całkowity okres użytkowania (miesiące)
0,9 mm 3-6 1-2 4-8 1.2 mm 3-6 2-3 5-9 1.65 mm 3-6 3-5 6-11 2.0 mm 3-6 4-6 7-12
2,5 mm 3-6 5-8 8-14
Żadna grubość ścianki nie zapewni 10-letniego życia, ponieważ absorpcja wodoru nie zostanie zatrzymana. Pękanie rozpocznie się w ciągu kilku miesięcy, niezależnie od zastosowanej grubości. Grubsze ścianki opóźniają przebicie, ale nie zapobiegają awariom.

Inne opcje
Zwiększona grubość ścianki nie zapewnia długotrwałej żywotności, dlatego wymagane są inne kroki:

Tlen, resztkowy: Zawartość rozpuszczonego tlenu powinna być większa niż 50 ppb (mniej niż 200 ppb, aby ograniczyć korozję stali węglowej). Powoduje to reakcję katodową redukcji tlenu. To hamuje wydzielanie wodoru.

Użyj chloraminy lub innych utleniaczy: Dodaj 0,5-2 ppm chloraminy do solanki, aby działała jako utleniacz katodowy.

Ulepsz do klasy 7: Pallad (0,12-0,25%) katalizuje redukcję tlenu nawet przy bardzo niskich stężeniach tlenu i hamuje absorpcję wodoru. Stopień 7 w odpowietrzonej solance w temperaturze 120 stopni absorbuje wodór<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Odwrócenie ochrony katodowej: Dołącz tytan do bardziej szlachetnego metalu (platyny lub złota), aby przesunąć potencjał w zakres redukcji tlenu. Niepraktyczne w przypadku grzejników MSF.

Tabela zastosowań podgrzewaczy solanki MSF
Stan solanki Rozpuszczony tlen (ppb) Zalecana grubość ścianki gatunku tytanu Oczekiwana trwałość
Odpowietrzony (typowy MSF)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Odgazowany dodatkiem chloraminy<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Niski poziom tlenu (stan zdenerwowania) 20-50 ppb Stopień 2 2.0 mm 3-5 lat
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb Klasa 2 1.65 mm 10+ lat (chociaż stal węglowa koroduje)
Tytan klasy 2 nie nadaje się do podgrzewaczy solanki odsalania MSF w temperaturze 120 stopni z odpowietrzoną solanką (tlen<20 ppb) regardless of wall thickness. Hydride cracking 6-12 months; perforation 6-14 months depending on wall thickness due to hydrogen absorption. This service requires grade 7 titanium (Ti-0.15Pd). Standard 1.2-1.65 mm wall gives 10-15 year life. The higher cost of Grade 7 is offset by the lack of hydrogen damage. If Grade 2 must be used (e.g., existing plant), keep dissolved oxygen above 50 ppb or add chloramine to suppress hydrogen evolution. Specify seamless tubing for new MSF plants, pickled finish, Grade 7. "Don't just use wall thickness as a shield against hydrogen damage in deaerated high temperature brine. Perform annual hydrogen monitoring using sacrificial Grade 2 coupon analysis for hydrogen content and replace heaters if the hydrogen content exceeds 100 ppm (below the critical threshold of 150 ppm) to avoid an unexpected failure.