Jaká je maximální povolená teplota stěny trubky před hydratací pro ponorný ohřev horké (200 stupňů) stlačené vody v tlakové nádobě?

Ponorný ohřev stlačenou vodou o teplotě 200 °C představuje zvláštní problém pro titanové ponorné ohřívače. Při této teplotě je voda kapalná pouze pod vysokým tlakem (kolem 16 barů). Vodní prostředí s vysokou teplotou a vysokým tlakem způsobuje termodynamickou nestabilitu titanu s ohledem na absorpci vodíku. Hydridování je například řízeno difúzí-a postupuje bez povrchové koroze nebo důlkové koroze; nedochází k žádnému zjevnému poškození povrchu, dokud křehnutí nezpůsobí náhlý zlom. Regulačním parametrem pro hydridaci je spíše teplota stěny trubky než teplota vody v objemu. Tepelný tok z vnitřního topného článku ohřívá vnitřní stěnu titanové trubky mnohem tepleji než vnější stěnu při kontaktu s vodou. Při určité úrovni této teploty vnitřní stěny se rychlost absorpce vodíku stává nadměrně vysokou a k produkci hydridu dochází spíše v měsících než v letech.

Mechanismus vysokoteplotní hydridace ve stlačené vodě

Voda disociuje na povrchu titanu nad 150 stupňů: H2O → H+ + OH-. Protony se přeměňují na atomární vodík, který difunduje do titanové mřížky. Rozpustnost vodíku v titanu dramaticky roste s teplotou od 200 ppm při 100 stupních na více než 1 500 ppm při 200 stupních. Když místní koncentrace vodíku překročí konečnou rozpustnost v pevném stavu (TSS), vysráží se hydrid titaničitý (TiH2). Objem hydridové fáze je o 17 % vyšší než objem okolního titanu, což způsobuje vnitřní pnutí, která způsobují mikrotrhlinky. Rozhodujícím parametrem je teplota vnitřní stěny, která může být o 20-50 stupňů vyšší než vnější stěny, v závislosti na tepelném toku a tloušťce stěny. Difúze je řízena gradientem koncentrace vodíku vytvořeným vnitřní stěnou při 220 stupních a vnější stěnou 200 stupních k chladnějšímu vnějšímu povrchu, kde se přednostně vysrážejí hydridy.

Kvantitativní vztah mezi rychlostí hydratace a teplotou vnitřní stěny

Kontrolované testování ve stlačené vodě při 200 stupních (16 bar) na titanových trubkách Grade 2 při různých tepelných tocích potvrdilo následující rychlosti hydridace, jak se koncentrace vodíku zvyšuje za 1 000 hodin:

Teplota vnitřní stěny<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.

Teplota vnitřní stěny: 210-230 stupňů Rychlost hydratace: 50-100 ppm/1000 hod. Čas k dosažení 2 000-4 000 hodin TSS (3-6 měsíců). Vyžaduje častou kontrolu a okrajový servis.

Teplota vnitřní stěny. 230 až 250 °C: Rychlost hydratace 200 až 400 ppm/1 000 h. Čas k dosažení TSS 500–1 000 hodin (3–6 týdnů). Hydridové destičky metalograficky viditelné po 500 hodinách.

Teplota vnitřní stěny > 250 stupňů: Rychlost hydratace > 500 ppm/1 000 hodin. TSS překonána za 200-400 hodin. Pozorováno popálení a praskání povrchu. Katastrofické selhání je na spadnutí.

Průvodce výpočtem pro maximální přípustnou teplotu vnitřní stěny

Níže uvedená tabulka poskytuje realistický přístup k odhadu maximální povolené teploty vnitřní stěny a souvisejících omezení tepelného toku pro požadovanou životnost.

Maximální přípustná teplota vnitřní stěny při 200 stupních vody Požadovaná životnostPodobné Maximální tepelný tok (OD 20 mm, stěna 1,2 mm) Ekvivalentní maximální tepelný tok (25mm OD, 1,5mm stěna)
5 let (43 800 hodin) 205 stupňů 12 W/cm2 10 W/cm2
2 roky (17 500 hodin) 215 stupňů 18 W/cm2 15 W/cm2
1 rok (8 760 hodin) 225 stupňů 25 W/cm2 22 W/cm2
6 měsíců (4 380 hodin) 235 stupňů 32 W/cm² 28 W/cm²
Pouze nouzový servis (1 měsíc) 250 stupňů 45W/cm² 40W/cm²
Technický návrh pro zabránění hydrataci

Teplota vnitřní stěny se určuje pomocí teploty vody, tepelného toku (q), tloušťky stěny (t) a tepelné vodivosti titanu (k=17 W/m·K při 200 stupních ): ΔT=(q × t) / k. Pro 1,2 mm stěnu při 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 stupňů. Hromadná voda o teplotě 200 stupňů - – vnitřní stěna o teplotě 214 stupňů – více než 2 roky životnosti. Zajímavé je, že snížení tloušťky stěny snižuje teplotu vnitřní stěny při stejném tepelném toku . 0.8 mm stěny 20 W/cm$^2$ dává $\\Delta T$=9$^o$C, vnitřní stěna při 209$^o$C, přijatelná pro 5letou životnost. Tenčí stěny jsou tedy lepší z hlediska odolnosti proti hydridování, na rozdíl od obvyklé konstrukční filozofie pro korozi. Katalytický dopad palladia na rekombinaci vodíku zvyšuje prahovou teplotu vnitřní stěny titanu stupně 7 (palladiem stabilizovaného) přibližně o 15–20 stupňů.

Informovala specifikace

Pokud je například titanový ohřívač specifikován pro 200stupňový rozvod stlačené vody, vypočítejte teplotu vnitřní stěny z požadovaného tepelného toku a navrhované tloušťky stěny. Pro jakoukoli aplikaci vyžadující životnost delší než 2 roky nepřesahujte 210 stupňů. Pokud je potřeba tepelného toku > 25 W/cm2, buď snižte tloušťku stěny, abyste minimalizovali ΔT, nebo použijte titan třídy 7. Rozprostřete tok tepla. Používejte mnoho ohřívačů s nízkou hustotou wattu namísto jednoho ohřívače s vysokou hustotou wattu. Sledujte elektrický odpor ohřívače v provozu. Nárůst o 10–15 % oproti základní hodnotě svědčí o produkci hydridu a křehnutí. Nainstalujte termočlánek na vnější stěnu trubky a průběžně vypočítávejte teplotu vnitřní stěny. Pokud vypočtená teplota vnitřní stěny překročí 230 °C na více než 100 kumulativních hodin, vyřaďte ohřívač z provozu bez ohledu na zbývající tloušťku stěny. Namísto řízení teploty objemové vody, technik řídí teplotu vnitřní stěny. Tím se zabrání postupnému selhání vodíkového křehnutí ve vysokoteplotních vodních systémech.