Kada koristite titanijumske imerzione grijače u geotermalnim fluidima bogatim bromidom-, koji je maksimalni dozvoljeni toplotni tok prije pokretanja lokalizirane korozije?

Standardni metalni grijači pate od posebnog problema agresivne hemije geotermalnih fluida iz dubokih bušotina. Neke geotermalne slane vode imaju koncentracije bromida koje dostižu čak 500-1.200 ppm, a neke uključuju i hlorid (10.000-30.000 ppm), rastvorene sulfide i visoke temperature (120-200 stepeni na ušću bušotine). Titanijum Grade 2 ili Grade 7 se često koristi za opštu otpornost na koroziju, ali bromidni joni predstavljaju posebnu pretnju: oni napadaju pasivni oksidni film agresivnije od hlorida u uslovima visokog toplotnog toka. Maksimalni dozvoljeni toplotni fluks, tj. toplotna snaga koja se prenosi po jedinici površine cevi, odlučuje da li će grejač raditi bezbedno godinama ili će otkazati lokalizovanim udubljenjem u roku od nekoliko meseci. Kada se prekorači kritični toplotni fluks, površinska elektrohemija se mijenja iz pasivne u aktivnu i to rezultira formiranjem udubljenja koje će brzo probušiti čak i cijevi sa{17}}stinama.

Mehanizam taloženja izazvanog bromidom- pri visokom toplotnom fluksu

Zaštitni TiO₂ premaz na titanijumu je stabilan samo u određenom elektrohemijskom potencijalu i temperaturnom opsegu. Imerzioni grijač ubrizgava električnu energiju u geotermalnu otopinu soli, a temperatura površine cijevi premašuje temperaturu tečnosti za deltu (ΔT) proporcionalnu toplotnom toku i obrnuto proporcionalnu koeficijentu prijenosa topline. Za tipično stanje turbulentnog protoka (h=5, 000 W/m2K) toplotni tok od 50 kW/m2 daje ΔT od skoro 10 stepeni. Joni bromida su veći i manje hidratizirani od kloridnih jona i tako se jače adsorbiraju na titanijumskim površinama na povišenim temperaturama. Za toplinske tokove koji prelaze graničnu vrijednost-specifičnu za materijal, lokalna površinska temperatura pokreće elektrohemijski potencijal u transpasivnu regiju i oksidni film propada. Jednom kada se jama formira, velika gustina struje u jami dovodi do lokalnog zakiseljavanja ( pH može biti manji od 1 ) i joni bromida se kombinuju sa jonima titana koji blokiraju repasivaciju . Podaci ispitivanja geotermalnog polja pokazuju da je esencijalni toplotni tok za slane otopine bromida otprilike 30-40% niži nego za slane otopine samo s kloridom-u jednakim koncentracijama.

Kvantitativni odnos između koncentracije bromida, toplotnog fluksa i vremena pittinga

Laboratorijskim istraživanjima utvrđen je konzervativni siguran radni omotač elektrohemijskim praćenjem buke. Za titanijum stepena 2 u simuliranoj geotermalnoj salamuri koja sadrži 800 ppm Br−, 15.000 ppm Cl− i 130 stepeni masene temperature, sledeći odnosi su:

Toplotni tok < 25 kW/m²: gustina pasivne struje < 0,1 µA/cm². Nema pitinga na 5.000 sati

25–35 kW/m2: Dolazi do metastabilnog pitinga (trenutni tranzijenti od 1–10 µA) iako je repasivacija obično uspješna. Stabilizirane jame prodiru u debljinu zida od 0,5 mm za 1.500 do 2.000 sati.

Toplotni tok 35–45 kW/m 2 : stabilno piting počinje nakon 200–500 h. povećanje brzine rasta jame sa 0,01 mm/h na 0,05 mm/h

Toplotni tok > 45 kW/m²: brzo udubljenje uzrokuje perforaciju zida cijevi od 1,2 mm u<300 hours.

Kritični toplotni tok titanijuma 7- klase (paladij 0,12-0,25%) se povećava za oko 30% zbog katalitičkog uticaja plemenitog metala na repasivaciju. Maksimalni dozvoljeni toplotni tok za dugotrajan rad (10 godina radnog veka sa<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Vodič za odabir toplotnog toka zasnovan na scenariju-

Donja tabela daje okvir izbora na osnovu specifičnog sastava geotermalne slane vode i operativne strategije.

Stanje geotermalne slane vode i operativni prioritet Preporučeni maksimalni toplotni tok Jezgro Obrazloženje i trgovina-Isključeno u obzir
bromid<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
Bromid 300–800 ppm, povremeni rad (dnevni termički ciklus) Titanijum 7 stepena 30–35 kW/m2 Bicikliranje pomaže u smanjenju kumulativne štete. Ocjena 7 nudi marginu repasivacije. Smanjeni protok povećava površinu grijača za 15 do 25 posto.
Bromide >800 ppm, prisutne stagnirajuće zone (zagrijavanje rezervoara niskog protoka) Stepen 7 ili Stepen 12 20-25 kW/m2 Konzervativni dizajn za sigurnost. Potrebna vam je duža dužina grijača ili više od jednog grijača. Zahtijeva skuplji kapital.
Slana otopina{0}}bogata bromidom sa vodonik sulfidom (H2S > 50 ppm) Bilo koja vrsta titana Manja ili jednaka 20 kW/m2 Sulfidi se takmiče sa oksidacijom. Potreban vrlo minimalan fluks. Pogledajte druge materijale (npr. titan -paladij sa katodnom zaštitom).
Inženjering izvan toplotnog toka

Brzinu protoka ne treba zanemariti u proceni toplotnog toka. Za brzine ispod 0,3 m/s debljina graničnog sloja raste, povećavajući temperaturu površine cijevi za isti toplotni tok za dodatnih 5-8 stepeni. Ovo efektivno smanjuje maksimalni dozvoljeni fluks za 15-20%. Reakcija zavisi i od debljine zida, jer deblji zidovi povećavaju period širenja jame, ali ne i prag inicijacije. Stoga je za geotermalne fluide{12}}bogate bromidom bolje koristiti niži toplotni tok sa konvencionalnim zidom od 1,0 mm nego povećati debljinu zida na 1,5 mm bez uticaja na gustinu snage. Često praćenje potencijala oksidacije i redukcije slane vode (ORP) daje rano upozorenje: pad ORP-a ispod +200 mV u odnosu na Ag/AgCl u blizini površine cijevi prethodi nastanku pittinga.

Specificiranje sa sigurnošću

Kupac treba navesti certificirani maksimalni dozvoljeni toplinski tok zasnovan na stvarnoj hemiji slane otopine ili standardnom ispitivanju (ASTM G78 za koroziju u pukotinama sa primijenjenim toplotnim fluksom) pri odabiru titanijumskog uranjajućeg grijača za geotermalne fluide-napunjene bromidom i provjeriti da li to izvodi dobavljač. Koristite titanijum stepena 7 kada bromid prelazi 500 ppm ili kada operativna nesigurnost zahteva sigurnosnu granicu. Dizajn niza grijača treba minimizirati površinski toplinski tok na manje od 30 kW/m2 u većini situacija, korištenjem dužih ili brojnih grijaćih elemenata umjesto veće gustoće u vatima. Ova konzervativna metoda pretvara titanijumski grijač iz komponente visokog rizika u pouzdano sredstvo u jednom od najtežih industrijskih fluidnih okruženja.