Izmantojot titāna iegremdējamos sildītājus bromīda{0}}bagātīgos ģeotermālajos šķidrumos, kāda ir maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma pirms lokālas korozijas sākuma?

Standarta metāla sildītāji cieš no īpašas problēmas, kas saistīta ar ģeotermālo šķidrumu agresīvo ķīmisko sastāvu no dziļurbumiem. Dažos ģeotermālajos sālījumos bromīda koncentrācija sasniedz pat 500–1200 ppm, dažos arī hlorīds (10 000–30 000 ppm), izšķīdušie sulfīdi un augsta temperatūra (120–200 grādi urbuma galā). Titāna 2. vai 7. klase bieži tiek izmantota vispārējai izturībai pret koroziju, bet bromīda joni ir īpašs drauds: tie uzbrūk pasīvajai oksīda plēvei agresīvāk nekā hlorīds augstas siltuma plūsmas apstākļos. Maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma, ti, siltuma jauda, ​​kas tiek paziņota uz caurules virsmas laukuma vienību, nosaka, vai sildītājs darbosies droši gadiem ilgi vai nedarbosies, jo dažu mēnešu laikā tas radīsies lokāli. Kad tiek pārsniegta kritiskā siltuma plūsma, virsmas elektroķīmija mainās no pasīvās uz aktīvo, un rezultātā veidojas bedres, kas ātri caurdurs pat biezas -sienu caurules.

Bromīda-iedobuma veidošanās mehānisms pie lielas siltuma plūsmas

Titāna aizsargājošais TiO₂ pārklājums ir stabils tikai noteiktā elektroķīmiskā potenciāla un temperatūras diapazonā. Iegremdēšanas sildītājs ievada elektroenerģiju ģeotermiskā sālījumā, un caurules virsmas temperatūra pārsniedz tilpuma šķidruma temperatūru par delta (ΔT), kas ir proporcionāla siltuma plūsmai un apgriezti proporcionāla siltuma pārneses koeficientam. Tipiskiem turbulentas plūsmas apstākļiem (h=5,000 W/m2K) siltuma plūsma 50 kW/m2 rada ΔT gandrīz 10 grādus. Bromīda joni ir lielāki un mazāk hidratēti nekā hlorīda joni, tāpēc paaugstinātā temperatūrā tie adsorbējas spēcīgāk uz titāna virsmām. Siltuma plūsmām, kas pārsniedz materiālam raksturīgo sliekšņa vērtību, vietējā virsmas temperatūra novirza elektroķīmisko potenciālu uz transpasīvo reģionu, un oksīda plēve sabojājas. Kad bedrē veidojas lielais strāvas blīvums bedrē, tas izraisa lokālu paskābināšanos (pH var būt mazāks par 1), un bromīda joni apvienojas ar titāna joniem, kas bloķē repasivāciju. Ģeotermālā lauka testa dati liecina, ka būtiskā siltuma plūsma bromīda sālījumiem ir aptuveni par 30–40% zemāka nekā hlorīda sālījumiem vienādās koncentrācijās.

Kvantitatīvā saistība starp bromīda koncentrāciju, siltuma plūsmu un punktu veidošanās laiku

Laboratorijas pētījumos ar elektroķīmisko trokšņu monitoringu ir noteikts konservatīvs drošas darbības diapazons. 2. pakāpes titānam imitētā ģeotermālā sālījumā, kas satur 800 ppm Br−, 15 000 ppm Cl− un 130 grādu tilpuma temperatūru, ir šādas attiecības:

Siltuma plūsma < 25 kW/m²: pasīvās strāvas blīvums < 0,1 µA/cm². Nav bedru 5000 stundu laikā

25–35 kW/m2: notiek metastabila kauliņu veidošanās (strāvas pārejas 1–10 µA), lai gan repasivācija parasti ir veiksmīga. Stabilizētās bedres caurdur sieniņu biezumu 0,5 mm 1500 līdz 2000 stundās.

Siltuma plūsma 35–45 kW/m 2 : stabila bedrīšu veidošanās sākas pēc 200–500 h. bedres augšanas ātruma palielināšanās no 0,01 mm/h līdz 0,05 mm/h

Siltuma plūsma > 45 kW/m²: strauja punktu veidošanās izraisa 1,2 mm caurules sienas perforāciju<300 hours.

7-pakāpes titāna (palādijs 0,12–0,25%) kritiskā siltuma plūsma palielinās par aptuveni 30%, jo cēlmetāla katalītiskā ietekme uz atkārtotu pasivāciju. Maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma ilgstošai darbībai (10 gadu kalpošanas laiks ar<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Scenārijs{0}}Pamatojums siltuma plūsmas izvēlei

Tālāk esošajā tabulā ir sniegts izvēles ietvars, pamatojoties uz ģeotermālā sālījuma īpašo sastāvu un darbības stratēģiju.

Ģeotermālā sālījuma stāvoklis un darbības prioritāte, ieteicamā maksimālā siltuma plūsmas kodola pamatojums un tirdzniecība{0}}apsvērta
Bromīds<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.
Bromīds 300–800 ppm, periodiska darbība (ikdienas termiskais cikls) 7. pakāpes titāns 30–35 kW/m2 Riteņbraukšana palīdz samazināt kumulatīvo kaitējumu. 7. pakāpe piedāvā repasivācijas rezervi. Pazeminātā plūsma palielina sildītāja virsmas laukumu par 15 līdz 25 procentiem.
Bromide >800 ppm, stāvošas zonas (zemas -plūsmas tvertnes sildīšana) 7. pakāpe vai 12 20-25. pakāpe kW/m2 Konservatīvs dizains drošībai. Nepieciešams garāks sildītājs vai vairāk nekā viens sildītājs. Nepieciešams dārgāks kapitāls.
Bromīdu{0}}bagāts sālījums ar sērūdeņradi (H2S > 50 ppm) Jebkāda titāna klase Mazāka vai vienāda ar 20 kW/m2Sulfīdi konkurē ar oksidēšanos. Nepieciešama ļoti minimāla plūsma. Apskatiet citus materiālus (piemēram, titāna -palādiju ar katoda aizsardzību).
Inženierzinātnes ārpus siltuma plūsmas

Novērtējot siltuma plūsmu, nevajadzētu atstāt novārtā plūsmas ātrumu. Ja ātrums ir mazāks par 0,3 m/s, robežslāņa biezums palielinās, palielinot caurules virsmas temperatūru tai pašai siltuma plūsmai par papildu 5–8 grādiem. Tas efektīvi samazina maksimāli pieļaujamo plūsmu par 15-20%. Reakcija ir atkarīga arī no sienas biezuma, jo biezākas sienas palielina bedres izplatīšanās periodu, bet ne iniciācijas slieksni. Tāpēc ģeotermālajiem šķidrumiem, kas bagāti ar bromīdu, labāk ir izmantot mazāku siltuma plūsmu ar parasto 1,0 mm sienu, nevis palielināt sienas biezumu līdz 1,5 mm, neietekmējot jaudas blīvumu. Bieža sālījuma oksidācijas-reducēšanas potenciāla (ORP) uzraudzība sniedz agrīnu brīdinājumu: ORP kritums zem +200 mV salīdzinājumā ar Ag/AgCl caurules virsmas tuvumā ir pirms bedrīšu veidošanās.

Ar pārliecību norādot

Pircējam, izvēloties titāna iegremdējamo sildītāju ģeotermālajiem šķidrumiem ar bromīdu{1}}, ir jānorāda sertificēta maksimālā pieļaujamā siltuma plūsma, kas balstīta uz reālu sālsūdens ķīmiju vai standarta testēšanu (ASTM G78 plaisu korozijai ar pielietoto siltuma plūsmu), un jāpārbauda, ​​vai to veic piegādātājs. Izmantojiet 7. klases titānu, ja bromīda saturs pārsniedz 500 ppm vai ja darbības nenoteiktība prasa drošības rezervi. Sildītāja bloka konstrukcijai ir jāsamazina virsmas siltuma plūsma līdz mazākai par 30 kW/m2 lielākajā daļā situāciju, izmantojot garākus vai daudzus sildītāja elementus, nevis lielāku vatu blīvumu. Šī konservatīvā metode pārvērš titāna sildītāju no augsta riska komponenta par uzticamu līdzekli vienā no sarežģītākajām rūpniecisko šķidrumu vidēm.