Karsta (200 grādu) saspiesta ūdens iegremdēšanai spiedtvertnē, kāda ir maksimālā pieļaujamā caurules sienas temperatūra pirms hidrēšanas?

200 °C saspiestā ūdenī iegremdētā apkure rada īpašas grūtības titāna iegremdējamiem sildītājiem. Šajā temperatūrā ūdens ir tikai šķidrs zem augsta spiediena (apmēram 16 bāri). Augsta temperatūra, augstspiediena ūdens vide izraisa titāna termodinamisko nestabilitāti attiecībā uz ūdeņraža absorbciju. Hidrēšana, piemēram, tiek kontrolēta difūzija{5}}un notiek bez virsmas korozijas vai punktveida veidošanās; nenotiek acīmredzama virsmas nolietošanās, līdz trauslums izraisa pēkšņu lūzumu. Hidrēšanas regulējošais parametrs ir caurules sienas temperatūra, nevis tilpuma ūdens temperatūra. Siltuma plūsma no iekšējā sildelementa silda titāna caurules iekšējo sienu daudz karstāk nekā ārējā siena saskarē ar ūdeni. Kādā šīs iekšējās sienas temperatūras līmenī ūdeņraža absorbcijas ātrums kļūst pārāk augsts, un hidrīda veidošanās notiek mēnešos, nevis gados.

Augstas temperatūras hidrīdēšanas mehānisms saspiestā ūdenī

Ūdens disociē pie titāna virsmas virs 150 grādiem: H2O → H+ + OH-. Protoni tiek pārveidoti par atomu ūdeņradi, kas izkliedējas titāna režģī. Ūdeņraža šķīdība titānā strauji pieaug ar temperatūru no 200 ppm pie 100 grādiem līdz vairāk nekā 1500 ppm pie 200 grādiem. Ja vietējā ūdeņraža koncentrācija pārsniedz terminālo cieto šķīdību (TSS), titāna hidrīds (TiH2) nogulsnējas. Hidrīda fāzes tilpums ir par 17% lielāks nekā apkārtējā titāna, izraisot iekšējo spriegumu, kas izraisa mikroplaisāšanu. Noteicošais parametrs ir iekšējās sienas temperatūra, kas var būt par 20-50 grādiem augstāka nekā ārsiena atkarībā no siltuma plūsmas un sienas biezuma. Difūziju virza ūdeņraža koncentrācijas gradients, ko rada iekšējā siena 220 grādos un ārējā siena 200 grādos, uz vēsāku ārējo virsmu, kur galvenokārt nogulsnējas hidrīdi.

Hidrēšanas ātruma un iekšējās sienas temperatūras kvantitatīvā saistība

Kontrolēta testēšana saspiestā ūdenī pie 200 grādiem (16 bāri) 2. pakāpes titāna caurulēm dažādās siltuma plūsmās ir apstiprinājusi šādus hidridēšanas ātrumus, palielinoties ūdeņraža koncentrācijai 1000 stundu laikā:

Iekšējās sienas temperatūra<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.

Iekšējās sienas temperatūra: 210-230 grādi Hidrēšanas ātrums: 50-100 ppm/1000 h. Laiks sasniegt 2000–4000 stundu TSS (3–6 mēneši). Nepieciešama bieža pārbaude un neliela apkope.

Iekšējās sienas temp. 230 līdz 250°C: hidridēšanas ātrums no 200 līdz 400 ppm/1000 h. Laiks TSS sasniegšanai ir 500–1000 stundas (3–6 nedēļas). Hidrīda trombocīti metalogrāfiski redzami pēc 500 stundām.

Iekšējās sienas temperatūra > 250 grādi: Hidrēšanas ātrums > 500 ppm/1000 stundas. TSS pārspēja 200-400 stundās. Novērots virsmas apdegums un plaisāšana. Katastrofāla neveiksme ir nenovēršama.

Maksimālās pieļaujamās iekšējās sienas temperatūras aprēķināšanas rokasgrāmata

Zemāk esošajā tabulā sniegta reālistiska pieeja maksimālās pieļaujamās iekšējās sienas temperatūras un ar to saistīto siltuma plūsmas ierobežojumu novērtēšanai vēlamajam kalpošanas laikam.

Maksimālā pieļaujamā iekšējās sienas temperatūra pie 200 grādiem Ūdens Vēlamais kalpošanas laiksLīdzīgs maksimālais siltuma plūsma (OD 20 mm, siena 1,2 mm) Ekvivalents maksimālā siltuma plūsma (25 mm OD, 1,5 mm siena)
5 gadi (43 800 stundas) 205 grādi 12 W/cm2 10 W/cm2
2 gadi (17 500 stundas) 215 grādi 18 W/cm2 15 W/cm2
1 gads (8760 stundas) 225 grādi 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mēneši (4380 stundas) 235 grādi 32 W/cm² 28 W/cm²
Tikai neatliekamās palīdzības dienests (1 mēnesis) 250 grādi 45W/cm² 40W/cm²
Inženierprojekts, lai novērstu hidrēšanu

Iekšējās sienas temperatūru nosaka, izmantojot tilpuma ūdens temperatūru, siltuma plūsmu (q), sienas biezumu (t) un titāna siltumvadītspēju (k=17 W/m·K pie 200 grādiem): ΔT=(q × t) / k. 1,2 mm sienai pie 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 grāds. Lielais ūdens 200 grādi --iekšējā siena 214 grādos — pārsniedz 2 gadu kalpošanas laiku. Interesanti, ka, samazinot sienas biezumu, samazinās iekšējās sienas temperatūra tai pašai siltuma plūsmai. 0.8 mm siena 20 W/cm$^2$ dod $\\Delta T$=9$^o$C, iekšējā siena pie 209$^o$C, kas ir pieņemama 5 gadu kalpošanas laikā. Tādējādi plānākas sienas ir labākas hidrīdēšanas izturībai atšķirībā no parastās korozijas dizaina filozofijas. Pallādija katalītiskā ietekme uz ūdeņraža rekombināciju paaugstina 7. pakāpes titāna (stabilizēta ar palādiju) iekšējās sienas temperatūras slieksni par aptuveni 15–20 grādiem.

Informēta specifikācija

Piemēram, ja titāna sildītājs ir norādīts 200 grādu saspiesta ūdens pakalpojumam, aprēķiniet iekšējās sienas temperatūru no vēlamās siltuma plūsmas un paredzētā sienas biezuma. Jebkuram lietojumam, kam nepieciešams kalpošanas laiks, kas pārsniedz 2 gadus, nedrīkst pārsniegt 210 grādus. Ja siltuma plūsmas vajadzības ir > 25 W/cm2, vai nu samaziniet sienas biezumu, lai samazinātu ΔT, vai arī nodrošiniet 7. klases titānu. Izplatiet siltuma plūsmu. Viena augsta vatu blīvuma sildītāja vietā izmantojiet daudzus zema vatu blīvuma sildītājus. Pārraugiet darbībā esošā sildītāja elektrisko pretestību. 10–15% pieaugums salīdzinājumā ar sākotnējo līmeni liecina par hidrīda veidošanos un trauslumu. Uzstādiet termopāri uz caurules ārējās sienas un nepārtraukti aprēķiniet iekšējās sienas temperatūru. Ja aprēķinātā iekšējās sienas temperatūra pārsniedz 230°C vairāk nekā 100 kumulatīvās stundas, izņemiet sildītāju no ekspluatācijas neatkarīgi no atlikušā sienas biezuma. Tā vietā, lai pārvaldītu beztaras ūdens temperatūru, inženieris kontrolē iekšējās sienas temperatūru. Tas novērš pakāpenisku ūdeņraža trausluma atteici augstas temperatūras ūdens sistēmās.