در بخاری‌های نمک‌زدایی (چند مرحله‌ای) در 120 درجه با آب نمک‌زدایی، چه ضخامت دیوار تیتانیوم درجه 2 از آسیب هیدروژن جلوگیری می‌کند؟

بخاری‌های نمک‌زدایی چند مرحله‌ای (MSF) در دمای 110 تا 120 درجه با آب‌نمک بدون هوا (اکسیژن محلول) کار می‌کنند.<20 ppb). Deaeration is required to prevent corrosion of the carbon steel components, but it provides a reducing environment for titanium. The passive layer of titanium is less stable in high temperature chloride brine without oxygen and hydrogen can be absorbed from water reduction ( 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − ) . Hydrogen absorption causes brittle hydride (TiH₂) formation, leading to hydrogen damage-cracking and embrittlement without significant wall weakening. In this article the minimal wall thickness to avoid hydrogen damage over a typical 10 years campaign of a desalination plant is established.

مکانیسم آسیب هیدروژن در آب نمک بدون هوا
در آب نمک هوادهی شده، اکسیژن در سطح تیتانیوم کاهش می یابد و پتانسیل نجیب را حفظ می کند و از تکامل هیدروژن جلوگیری می کند. در آب نمک بدون هوا (اکسیژن<20 ppb) the cathodic reaction is shifted to water reduction. Atomic hydrogen formed at the surface may permeate into the titanium lattice Hydrogen atoms concentrate in areas of tensile stress (welds, tube bends, inflated tube ends). Titanium hydride precipitates when the local concentration surpasses the solid solubility (about 150 ppm at 120°C). Hydride platelets are brittle and microcracking occurs. Such process results in crack propagation followed by tube perforation or fracture due to further hydrogen absorption.

سرعت جذب هیدروژن تابعی از دما، شیمی آب نمک و وضعیت سطح تیتانیوم است. جذب هیدروژن در آب نمک MSF در دمای 120 درجه (70000{5}}80000 ppm کلر، بدون هوا) 0.05-0.15 ppm/hr درجه 2

زمان تا غلظت هیدروژن بحرانی است
با شروع از سطح هیدروژن اولیه 30-50 ppm (گرید 2 آنیل شده) مدت زمان رسیدن به آستانه بحرانی ppm 150: جذب مورد نیاز=100-120 ppm است. با فرض نرخ جذب متوسط ​​0.10 ppm/h، زمان=100 / 0.10=1،000 ساعت. با 0.15 صفحه در دقیقه، زمان=100/0.15=667 ساعت.

چنین بازه های زمانی کوتاه (1-2 ماه) نشان می دهد که درجه 2 به سرعت در آب نمک هوادهی شده در دمای 120 درجه ترد می شود. با این حال، در عمل بخاری های آب نمک MSF از آب نمک هوادهی شده با اکسیژن باقیمانده (ppb 10-20) استفاده می کنند و اغلب در شرایط کمی اکسید کننده در سطح تیتانیوم به دلیل کلرامین یا سایر مواد افزودنی عمل می کنند. در گیاهان واقعی نرخ جذب کمتر است، 0.01-0.05 ppm در ساعت، به طوری که 2000-10000 ساعت (3-12 ماه) طول می کشد تا به غلظت بحرانی برسد. این هنوز برای خدمات طولانی مدت بسیار کند است.

ضخامت دیواره کاهش
عدم وجود ضخامت دیواره مانعی برای جذب هیدروژن نیست. هیدروژن مستقل از ضخامت دیواره در تیتانیوم پخش می شود. دیوارهای ضخیم‌تر مواد بیشتری را برای مقاومت در برابر ترک‌خوردگی هیدرید قبل از سوراخ شدن فراهم می‌کنند. پس از تشکیل هیدرید، شکاف ها از طریق دیوار عبور می کنند. هرچه دیوار ضخیم تر باشد، زمان ترک خوردن طولانی تر است.

برای درجه 2 در آب نمک بدون هوادهی در 120 درجه، ارتباط بین ضخامت دیواره و زمان سوراخ شدن ناشی از آسیب هیدروژن (بعد از شروع جذب) به طور منطقی خطی است:

ضخامت دیوار (میلی متر) زمان شروع ترک هیدرید (ماه) زمان از شروع تا سوراخ شدن (ماه ها عمر کل سرویس (ماه)
0.9 میلی متر 3-6 1-2 4-8 1.2 میلی متر 3-6 2-3 5-9 1.65 میلی متر 3-6 3-5 6-11 2.0 میلی متر 3-6 4-6 7-12
2.5 میلی متر 3-6 5-8 8-14
هیچ ضخامت دیواره ای 10 سال عمر نمی کند زیرا جذب هیدروژن متوقف نمی شود. بدون توجه به ضخامت مورد استفاده، ترک در عرض چند ماه شروع می شود. دیواره های ضخیم تر سوراخ شدن را به تاخیر می اندازند اما از شکست جلوگیری نمی کنند.

گزینه های دیگر
افزایش ضخامت دیواره عمر طولانی مدت نمی دهد، از این رو مراحل دیگری لازم است:

اکسیژن، باقیمانده: اکسیژن محلول باید بیشتر از ppb 50 باشد (کمتر از 200 ppb برای محدود کردن خوردگی فولاد کربنی). این باعث کاهش اکسیژن در واکنش کاتدی می شود. این امر تکامل هیدروژن را سرکوب می کند.

از کلرامین یا سایر اکسیدان ها استفاده کنید: 0.5-2 ppm کلرامین را به آب نمک اضافه کنید تا به عنوان یک اکسیدان کاتدی عمل کند.

ارتقاء به درجه 7: پالادیوم (0.12-0.25%) کاهش اکسیژن را حتی در غلظت های بسیار کم اکسیژن کاتالیز می کند و جذب هیدروژن را سرکوب می کند. درجه 7 در آب نمک بدون هوا در 120 درجه هیدروژن را جذب می کند<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* وارونگی حفاظت کاتدی: تیتانیوم را به یک فلز نجیب تر (پلاتین یا طلا) وصل کنید تا پتانسیل را به محدوده کاهش اکسیژن منتقل کنید. برای بخاری های MSF عملی نیست.

ماتریس کاربرد هیترهای آب نمک MSF
وضعیت آب نمک اکسیژن محلول (ppb) درجه تیتانیوم توصیه شده ضخامت دیوار عمر مورد انتظار
هوادهی شده (MSF معمولی)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
با افزودن کلرامین هواگیری می شود<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
اکسیژن کم (وضعیت ناراحتی) 20-50 ppb درجه 2 2.0 میلی متر 3-5 سال
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb درجه 2 1.65 میلی‌متر 10+ سال (اگرچه فولاد کربن خورده می‌شود)
تیتانیوم درجه 2 برای بخاری های آب نمک زدایی MSF در دمای 120 درجه با آب نمک بدون هوا (اکسیژن) مناسب نیست<20 ppb) regardless of wall thickness. Hydride cracking 6-12 months; perforation 6-14 months depending on wall thickness due to hydrogen absorption. This service requires grade 7 titanium (Ti-0.15Pd). Standard 1.2-1.65 mm wall gives 10-15 year life. The higher cost of Grade 7 is offset by the lack of hydrogen damage. If Grade 2 must be used (e.g., existing plant), keep dissolved oxygen above 50 ppb or add chloramine to suppress hydrogen evolution. Specify seamless tubing for new MSF plants, pickled finish, Grade 7. "Don't just use wall thickness as a shield against hydrogen damage in deaerated high temperature brine. Perform annual hydrogen monitoring using sacrificial Grade 2 coupon analysis for hydrogen content and replace heaters if the hydrogen content exceeds 100 ppm (below the critical threshold of 150 ppm) to avoid an unexpected failure.