Za potopljeno zagrevanje tople (200 stepeni) komprimovane vode u posudi pod pritiskom, koja je maksimalna dozvoljena temperatura zida cevi pre nego što dođe do hidratacije?

Potopljeno grijanje sa komprimovanom vodom od 200 stepeni C predstavlja posebnu poteškoću za grijače sa titanijumom. Na ovoj temperaturi voda je samo tečna pod visokim pritiskom (oko 16 bara). Visoka temperatura i vodena sredina pod visokim pritiskom uzrokuje termodinamičku nestabilnost titanijuma u odnosu na apsorpciju vodonika. Hidriranje, na primjer, je difuzno-kontrolisano i napreduje bez površinske korozije ili pittinga; ne dolazi do vidljivog oštećenja površine sve dok krhkost ne izazove nagli lom. Temperatura stijenke cijevi umjesto temperature vode je regulacijski parametar za hidrataciju. Toplotni tok iz unutrašnjeg grijaćeg elementa zagrijava unutrašnji zid titanijske cijevi mnogo toplije nego vanjski zid u kontaktu s vodom. Na nekom nivou ove temperature unutrašnjeg zida brzina apsorpcije vodonika postaje pretjerano visoka i proizvodnja hidrida se događa mjesecima, a ne godinama.

Mehanizam visokotemperaturnog hidriranja u komprimovanoj vodi

Voda disocira na površini titanijuma preko 150 stepeni: H2O → H+ + OH-. Protoni se pretvaraju u atomski vodonik, koji difundira u titanijumsku rešetku. Rastvorljivost vodonika u titanijumu dramatično raste sa temperaturom od 200 ppm na 100 stepeni do više od 1.500 ppm na 200 stepeni. Kada lokalna koncentracija vodika premaši terminalnu rastvorljivost čvrste supstance (TSS), taloži se titanijum hidrid (TiH2). Volumen hidridne faze je 17% veći od okolnog titanijuma što uzrokuje unutrašnje napetosti koje uzrokuju mikropukotine. Referentni parametar je temperatura unutrašnjeg zida, koja može biti 20-50 stepeni viša od spoljašnjeg zida, u zavisnosti od toplotnog toka i debljine zida. Difuziju pokreće gradijent koncentracije vodonika koji stvara unutrašnji zid na 220 stepeni i spoljašnji zid na 200 stepeni, do hladnije spoljne površine gde se hidridi prvenstveno talože.

Kvantitativni odnos između brzine hidratacije i temperature unutrašnjeg zida

Kontrolirano testiranje u komprimovanoj vodi na 200 stepeni (16 bara) na titanijumskim cevima stepena 2 pod različitim toplotnim tokovima potvrdilo je sledeće brzine hidratacije kako koncentracija vodonika raste na 1.000 sati:

Temperatura unutrašnjeg zida<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 unutrašnjeg zida: 210-230 stepeni Brzina hidratacije: 50-100 ppm/1000 sati. Vrijeme za dostizanje 2.000-4.000 sati TSS (3-6 mjeseci). Potrebne su česte inspekcije i marginalni servis.

Temperatura unutrašnjeg zida. 230 do 250°C: Brzina hidratacije 200 do 400 ppm/1,000 h. Vrijeme za postizanje TSS-a je 500-1.000 sati (3-6 sedmica). Hidridne pločice metalografski vidljive nakon 500 sati.

Temperatura unutrašnjeg zida > 250 stepeni: Brzina hidratacije > 500 ppm/1,000 sati. TSS je premašio za 200-400 sati. Uočeno je izgaranje i pucanje površine. Katastrofalni neuspjeh je neizbježan.

Vodič za izračunavanje maksimalne dozvoljene temperature unutrašnjeg zida

Tabela ispod daje realističan pristup za procjenu maksimalne dozvoljene temperature unutrašnjeg zida i pratećih ograničenja toplotnog toka za željeni vijek trajanja.

Maksimalna dozvoljena temperatura unutrašnjeg zida na 200 stepeni vode Željeni radni vek Sličan maksimalni toplotni tok (OD 20 mm, zid 1,2 mm) Ekvivalentni maksimalni toplotni tok (25 mm OD, 1,5 mm zid)
5 godina (43.800 sati) 205 stepeni 12 W/cm2 10 W/cm2
2 godine (17.500 sati) 215 stepeni 18 W/cm2 15 W/cm2
1 godina (8.760 sati) 225 stepeni 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mjeseci (4.380 sati) 235 stupnjeva 32 W/cm² 28 W/cm²
Samo hitna pomoć (1 mjesec) 250 stepeni 45W/cm² 40W/cm²
Inženjerski dizajn za sprečavanje hidriranja

Temperatura unutrašnjeg zida se određuje korišćenjem temperature vode u masi, protoka toplote (q), debljine zida (t) i toplotne provodljivosti titanijuma (k=17 W/m·K na 200 stepeni): 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 stepen. Voda u rasutom stanju na 200 stepeni --unutrašnji zid na 214 stepeni --preko 2-godišnje granice vijeka trajanja. Zanimljivo, smanjenje debljine zida smanjuje temperaturu unutrašnjeg zida za isti toplotni tok. 0.8 mm zid 20 W/cm$^2$ daje $\\Delta T$=9$^o$C, unutrašnji zid na 209$^o$C, prihvatljiv za 5-godišnji život. Tanji zidovi su stoga bolji za otpornost na hidrataciju za razliku od uobičajene filozofije dizajna za koroziju. Katalitički uticaj paladija na rekombinaciju vodonika podiže graničnu temperaturu unutrašnjeg zida titanijuma stepena 7 (stabilizovan sa paladijumom) za približno 15-20 stepeni.

Informirana je specifikacija

Na primjer, ako je grijač od titanijuma određen za uslugu komprimovane vode od 200 stepeni, izračunajte temperaturu unutrašnjeg zida iz željenog toplotnog toka i predložene debljine zida. Za bilo koju primenu kojoj je potreban radni vek duži od 2 godine ne prelazi 210 stepeni. Ako su potrebe za toplotnim fluksom > 25 W/cm2, ili smanjite debljinu zida da biste minimizirali ΔT ili obezbedite titanijum stepena 7. Raširite tok toplote. Koristite mnogo grijača niske gustoće umjesto jednog grijača velike gustoće vata. Pratite električni otpor grijača u radu. Povećanje od 10-15% u odnosu na početnu liniju ukazuje na proizvodnju hidrida i krhkost. Instalirajte termoelement na vanjski zid cijevi i kontinuirano izračunajte temperaturu unutrašnjeg zida. Ako izračunata temperatura unutrašnjeg zida prelazi 230 stepeni C tokom više od 100 kumulativnih sati, isključite grejač iz upotrebe bez obzira na preostalu debljinu zida. Umjesto upravljanja temperaturom vode u rasutom stanju, inženjer kontrolira temperaturu unutrašnjeg zida. Ovo sprečava postepeni otkaz vodonične krhkosti u sistemima vode na visokim temperaturama.