هنگام استفاده از هیترهای غوطه ور تیتانیوم در سیالات غنی از زمین گرمایی برومید-، حداکثر شار حرارتی مجاز قبل از شروع خوردگی موضعی چقدر است؟

بخاری های فلزی استاندارد از مشکل خاصی در شیمی تهاجمی سیالات زمین گرمایی از چاه های عمیق رنج می برند. برخی از آب نمک های زمین گرمایی دارای غلظت برمید به 500 تا 1200 پی پی ام هستند که برخی نیز شامل کلرید (10000-30000 پی پی ام)، سولفیدهای محلول و دماهای بالا (120 تا 200 درجه در دهانه چاه) هستند. تیتانیوم درجه 2 یا درجه 7 اغلب برای مقاومت در برابر خوردگی عمومی استفاده می‌شود، اما یون‌های برمید یک تهدید خاص را نشان می‌دهند: آنها در شرایط شار حرارتی بالا به لایه اکسید غیرفعال با شدت بیشتری نسبت به کلرید حمله می‌کنند. حداکثر شار حرارتی مجاز، یعنی توان حرارتی ارسال شده در واحد سطح لوله، تصمیم می‌گیرد که آیا بخاری سال‌ها به طور ایمن کار می‌کند یا با حفره‌های موضعی در عرض چند ماه از کار می‌افتد. هنگامی که شار حرارتی بحرانی فراتر رود، الکتروشیمی سطح از غیرفعال به فعال تغییر می کند و این منجر به تشکیل حفره هایی می شود که حتی لوله های دیواره ضخیم را به سرعت سوراخ می کنند.

مکانیسم ایجاد حفره برومید-در شار حرارتی بالا

پوشش محافظ TiO2 روی تیتانیوم فقط در یک پتانسیل الکتروشیمیایی خاص و محدوده دمایی پایدار است. یک بخاری غوطه‌وری، الکتریسیته را به یک آب نمک زمین‌گرمایی تزریق می‌کند و دمای سطح لوله با یک دلتا (ΔT) متناسب با شار گرما و نسبت معکوس با ضریب انتقال حرارت، از دمای سیال حجیم فراتر می‌رود. برای یک شرایط جریان آشفته معمولی (h=5,000 W/m2K) یک شار حرارتی 50 کیلووات بر متر مربع، ΔT نزدیک به 10 درجه را ایجاد می‌کند. یون‌های برومید بزرگ‌تر و کمتر از یون‌های کلرید هیدراته هستند و بنابراین در دماهای افزایش یافته روی سطوح تیتانیوم قوی‌تر جذب می‌شوند. برای شارهای حرارتی بیش از مقدار آستانه ویژه{10}ماده، دمای سطح محلی پتانسیل الکتروشیمیایی را به ناحیه عبوری هدایت می‌کند و لایه اکسیدی از کار می‌افتد. هنگامی که یک گودال چگالی جریان بالا در گودال را تشکیل می دهد اسیدی شدن موضعی را تحریک می کند (PH می تواند کمتر از 1 باشد) و یون های برمید با یون های تیتانیوم ترکیب می شوند و مانع از فعال شدن مجدد می شوند. داده‌های آزمایش میدان زمین گرمایی نشان می‌دهد که شار حرارتی ضروری برای آب نمک‌های برومید تقریباً 30 تا 40 درصد کمتر از آب نمک‌های کلرید{16}} در غلظت‌های مساوی است.

رابطه کمی بین غلظت برومید، شار حرارتی و زمان حفره شدن

بررسی های آزمایشگاهی یک پوشش محافظه کار ایمن را با پایش نویز الکتروشیمیایی ایجاد کرده است. برای تیتانیوم درجه 2 در آب نمک زمین گرمایی شبیه سازی شده حاوی 800 پی پی ام Br-، 15000 پی پی ام کلر- و دمای توده 130 درجه، روابط زیر است:

شار حرارتی < 25 کیلووات بر متر مربع: چگالی جریان غیرفعال < 0.1 µA/cm². بدون سوراخ شدن در 5000 ساعت

25-35 کیلووات بر متر مربع: حفره‌های غیرپایدار رخ می‌دهد (گذرهای جریانی 1-10 میکروآمپر) اگرچه بازیابی معمولاً موفقیت‌آمیز است. چاله های تثبیت شده به ضخامت دیواره 0.5 میلی متر در 1500 تا 2000 ساعت نفوذ می کنند.

شار حرارتی 35-45 کیلووات بر متر مربع: حفره های پایدار پس از 200-500 ساعت شروع می شود. افزایش سرعت رشد گودال از 0.01 میلی متر در ساعت به 0.05 میلی متر در ساعت

شار حرارتی > 45 کیلووات بر متر مربع: سوراخ شدن سریع باعث سوراخ شدن دیواره لوله 1.2 میلی متری می شود.<300 hours.

شار حرارتی بحرانی تیتانیوم 7- (پالادیوم 0.12-0.25%) حدود 30 درصد افزایش می‌یابد به دلیل تأثیر کاتالیزوری فلز نجیب در غیرفعال شدن مجدد. حداکثر شار حرارتی مجاز برای عملیات طولانی مدت (10 سال عمر با<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

سناریو{0}}راهنمای انتخاب شار حرارتی

جدول زیر چارچوب انتخابی را بر اساس ترکیب خاص آب نمک زمین گرمایی و استراتژی عملیاتی ارائه می دهد.

شرایط آب نمک زمین گرمایی و اولویت عملیاتی حداکثر شار حرارتی توصیه شده منطق و تجارت-خاموش در نظر گرفته شده است
برمید<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.
برمید 300-800 ppm، عملکرد متناوب (چرخه حرارتی روزانه) تیتانیوم درجه 7 30-35 kW/m2 Cycling به کاهش آسیب تجمعی کمک می کند. درجه 7 حاشیه repassivation را ارائه می دهد. شار کاهش یافته سطح بخاری را 15 تا 25 درصد افزایش می دهد.
Bromide >800 ppm، مناطق راکد موجود (-گرمایش مخزن جریان کم) درجه 7 یا درجه 12 20-25 kW/m2 طراحی محافظه کارانه برای ایمنی. به طول بخاری بیشتر یا بیش از یک بخاری نیاز دارید. نیاز به سرمایه گران تری دارد.
آب نمک غنی از برومید- با سولفید هیدروژن (H2S > 50 ppm) هر درجه تیتانیوم کمتر یا مساوی 20 کیلووات بر متر مربع سولفیدها با اکسیداسیون رقابت می کنند. شار بسیار کم مورد نیاز است. به مواد دیگر نگاه کنید (مانند تیتانیوم{9}}پالادیوم با محافظ کاتدی).
مهندسی فراتر از شار گرما

در ارزیابی شار حرارتی نباید از سرعت جریان غافل شد. برای سرعت‌های کمتر از 0.3 متر بر ثانیه، ضخامت لایه مرزی افزایش می‌یابد و دمای سطح لوله را برای همان شار گرمایی 5 تا 8 درجه افزایش می‌دهد. این به طور موثر حداکثر شار مجاز را 15-20% کاهش می‌دهد. واکنش همچنین به ضخامت دیواره بستگی دارد، زیرا دیواره های ضخیم تر دوره انتشار گودال را افزایش می دهند، اما آستانه شروع را افزایش نمی دهند. بنابراین، برای سیالات زمین گرمایی غنی از برومید، بهتر است از شار حرارتی کمتر با دیواره معمولی 1.0 میلی متری استفاده شود تا اینکه ضخامت دیواره را به 1.5 میلی متر افزایش دهید بدون اینکه بر چگالی توان تأثیر بگذارد. پایش مکرر پتانسیل کاهش اکسیداسیون آب نمک (ORP) یک هشدار اولیه است: افت ORP زیر +200 mV در مقابل Ag/AgCl در نزدیکی سطح لوله، قبل از شروع حفره شدن است.

با قطعیت مشخص کردن

خریدار باید حداکثر شار حرارتی مجاز تایید شده بر اساس شیمی واقعی آب نمک یا آزمایش استاندارد (ASTM G78 برای خوردگی شکاف با شار حرارتی اعمال شده) را در انتخاب بخاری غوطه‌وری تیتانیوم برای سیالات زمین‌گرمایی مملو از برومید- مشخص کند و بررسی کند که این کار توسط تامین‌کننده انجام می‌شود. زمانی که برمید از ppm 500 فراتر رفت یا زمانی که عدم قطعیت عملیاتی نیاز به حاشیه ایمنی دارد، از تیتانیوم درجه 7 استفاده کنید. طراحی آرایه بخاری باید شار حرارتی سطحی را به کمتر از 30 کیلووات بر متر مربع در بیشتر موقعیت ها با استفاده از عناصر گرم کننده طولانی تر یا متعدد به جای تراکم وات بالاتر به حداقل برساند. این روش محافظه کارانه بخاری تیتانیوم را از یک جزء پرخطر به یک دارایی قابل اعتماد در یکی از سخت ترین محیط های سیال صنعتی تبدیل می کند.