برای گرمایش غوطه ور آب فشرده داغ (200 درجه) در یک ظرف تحت فشار، حداکثر دمای مجاز دیواره لوله قبل از وقوع هیدریدینگ چقدر است؟

گرمایش زیر آب فشرده 200 درجه سانتیگراد برای بخاری های غوطه وری تیتانیوم مشکل خاصی را ایجاد می کند. در این دما آب فقط تحت فشار بالا (حدود 16 بار) مایع است. دمای بالا و محیط آب با فشار بالا باعث ناپایداری ترمودینامیکی تیتانیوم با توجه به جذب هیدروژن می شود. هیدریدینگ، برای مثال، انتشار-کنترل شده است و بدون خوردگی سطحی یا سوراخ شدن پیشرفت می‌کند. هیچ خرابی سطحی آشکاری رخ نمی دهد تا زمانی که شکنندگی باعث شکستگی ناگهانی شود. دمای دیواره لوله به جای دمای آب حجیم، پارامتر تنظیم کننده هیدریدینگ است. شار حرارتی از المنت حرارتی داخلی دیواره داخلی لوله تیتانیوم را بسیار داغتر از دیواره بیرونی در تماس با آب گرم می کند. در برخی از سطوح این دمای دیواره داخلی، سرعت جذب هیدروژن بسیار زیاد می شود و تولید هیدرید در ماه ها به جای سال ها اتفاق می افتد.

مکانیسم هیدریدینگ با دمای بالا در آب فشرده

آب در سطح تیتانیوم بیش از 150 درجه تجزیه می شود: H2O → H+ + OH-. پروتون ها به هیدروژن اتمی تبدیل می شوند که در شبکه تیتانیوم منتشر می شود. حلالیت هیدروژن در تیتانیوم با دما از 200 پی پی ام در 100 درجه تا بیش از 1500 پی پی ام در 200 درجه به طور چشمگیری رشد می کند. هنگامی که غلظت محلی هیدروژن از حلالیت جامد نهایی (TSS) فراتر رود، هیدرید تیتانیوم (TiH2) رسوب می کند. حجم فاز هیدرید 17 درصد بیشتر از تیتانیوم اطراف است که باعث ایجاد کشش های داخلی می شود که باعث ایجاد ریزترک می شود. پارامتر حاکم، دمای دیواره داخلی است که بسته به شار حرارتی و ضخامت دیواره می تواند 20-50 درجه بالاتر از دیواره خارجی باشد. انتشار توسط گرادیان غلظت هیدروژن ایجاد شده توسط یک دیواره داخلی در 220 درجه و دیواره خارجی در 200 درجه، به سطح بیرونی خنک‌تر که در آن هیدریدها ترجیحاً رسوب می‌کنند، هدایت می‌شود.

رابطه کمی بین نرخ هیدریدینگ و دمای دیواره داخلی

آزمایش کنترل شده در آب فشرده در دمای 200 درجه (16 بار) روی لوله های تیتانیوم درجه 2 تحت شارهای حرارتی مختلف، نرخ هیدریدینگ زیر را با افزایش غلظت هیدروژن در هر 1000 ساعت تأیید کرده است:

دمای دیواره داخلی<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.

دمای دیواره داخلی: 210-230 درجه سرعت آبرسانی: 50-100 ppm/1000 ساعت. زمان رسیدن به 2000-4000 ساعت TSS (3-6 ماه). نیاز به بازرسی مکرر و خدمات حاشیه ای دارد.

دمای دیوار داخلی. 230 تا 250 درجه سانتیگراد: نرخ آبرسانی 200 تا 400 ppm/1000 ساعت. زمان رسیدن به TSS 500-1000 ساعت (3-6 هفته). پلاکت های هیدرید از نظر متالوگرافی پس از 500 ساعت قابل مشاهده است.

دمای دیواره داخلی > 250 درجه: سرعت هیدریدینگ > 500 ppm/1000 ساعت. TSS در 200-400 ساعت پیشی گرفت. مشاهده شده سوزاندن سطح و ترک خوردگی. شکست فاجعه بار قریب الوقوع است.

راهنمای محاسبه برای حداکثر دمای مجاز دیوار داخلی

جدول زیر یک رویکرد واقع بینانه برای تخمین حداکثر دمای مجاز دیوار داخلی و محدودیت های شار گرمایی همراه برای عمر مفید مورد نظر ارائه می دهد.

حداکثر دمای مجاز دیوار داخلی در 200 درجه آب مورد نظر عمر خدمات مشابه حداکثر شار حرارتی (OD 20 میلی متر، دیوار 1.2 میلی متر) حداکثر شار حرارتی معادل (25 میلی متر OD، 1.5 میلی متر دیوار)
5 سال (43800 ساعت) 205 درجه 12 وات بر سانتی متر{5}} وات بر سانتی متر مربع
2 سال (17500 ساعت) 215 درجه 18 وات بر سانتی متر مربع{5}} وات بر سانتی متر مربع
1 سال (8760 ساعت) 225 درجه 25 وات بر سانتی متر{5}} وات بر سانتی متر مربع
6 ماه (4380 ساعت) 235 درجه 32 وات بر سانتی متر مربع 28 وات بر سانتی متر مربع
فقط خدمات اضطراری (1 ماه) 250 درجه 45 وات / سانتی متر مربع 40 وات / سانتی متر مربع
طراحی مهندسی برای جلوگیری از هیدریدینگ

دمای دیواره داخلی با استفاده از دمای آب حجیم، جریان گرما (q)، ضخامت دیواره (t) و هدایت حرارتی تیتانیوم (k=17 W/m·K در 200 درجه): ΔT=(q × t) / k تعیین می‌شود. برای دیوار 1.2 میلی‌متری در 20 وات بر سانتی‌متر مربع، ΔT=(200000 وات بر متر مربع × 0.0012 متر) / 17 وات بر مترمربع · K=14 درجه. آب حجیم در 200 درجه - - دیواره داخلی در 214 درجه -- فراتر از محدودیت عمر 2 ساله. جالب توجه است، کاهش ضخامت دیوار، دمای دیواره داخلی را برای همان شار حرارتی کاهش می‌دهد. 0.8 میلی‌متر دیوار 20 W/cm$^2$ $\\Delta T$=9$^o$C، دیوار داخلی در 209$^o$C، قابل قبول برای عمر 5 ساله. بنابراین، دیوارهای نازک‌تر برخلاف فلسفه طراحی معمول برای خوردگی، برای مقاومت در برابر آبکاری بهتر هستند. تأثیر کاتالیزوری پالادیوم بر نوترکیبی هیدروژن، آستانه دمای دیواره داخلی تیتانیوم درجه 7 (تثبیت شده با پالادیوم) را تقریباً 15 تا 20 درجه افزایش می دهد.

مشخصاتی اعلام شد

به عنوان مثال، اگر یک هیتر تیتانیوم برای سرویس آب فشرده 200 درجه مشخص شده است، دمای دیواره داخلی را از روی شار حرارتی مورد نظر و ضخامت دیوار پیشنهادی محاسبه کنید. برای هر برنامه ای که به عمر مفید بیش از 2 سال نیاز دارد، از 210 درجه تجاوز نکنید. اگر نیاز به شار حرارتی بیش از 25 وات بر سانتی متر مربع است، یا ضخامت دیواره را کاهش دهید تا ΔT به حداقل برسد یا تیتانیوم درجه 7 تهیه کنید. جریان گرما را پخش کنید. به جای یک بخاری با تراکم وات زیاد از تعداد زیادی بخاری با تراکم وات کم استفاده کنید. بر مقاومت الکتریکی بخاری در حال کار نظارت کنید. افزایش 10 تا 15 درصدی نسبت به سطح پایه نشان دهنده تولید هیدرید و شکنندگی است. یک ترموکوپل را روی دیواره بیرونی لوله نصب کنید و به طور مداوم دمای دیواره داخلی را محاسبه کنید. اگر دمای دیواره داخلی محاسبه شده برای بیش از 100 ساعت تجمعی از 230 درجه سانتیگراد فراتر رفت، بدون در نظر گرفتن ضخامت دیواره باقیمانده، بخاری را از سرویس خارج کنید. مهندس به جای مدیریت دمای آب حجیم، دمای دیواره داخلی را کنترل می کند. این امر از شکست تدریجی شکنندگی هیدروژن در سیستم های آب با دمای بالا جلوگیری می کند.