Basınçlı Kaptaki Sıcak (200 derece) Basınçlı Suyun Daldırarak Isıtması İçin Hidrasyon Oluşmadan Önce İzin Verilen Maksimum Boru Duvar Sıcaklığı Nedir?

200 derece C basınçlı suya batırılmış ısıtma, titanyum daldırma ısıtıcılar için özel bir zorluk sunar. Bu sıcaklıkta su yalnızca yüksek basınç altında (yaklaşık 16 bar) sıvıdır. Yüksek sıcaklık, yüksek basınçlı su ortamı, hidrojen emilimi açısından titanyumun termodinamik kararsızlığına neden olur. Örneğin hidrasyon, difüzyon-kontrollü bir işlemdir ve yüzey korozyonu veya çukurlaşma olmadan ilerler; Kırılganlık ani bir kırılmaya neden olana kadar belirgin bir yüzey bozulması meydana gelmez. Hidrasyon için düzenleyici parametre, toplu su sıcaklığından ziyade tüp duvar sıcaklığıdır. Dahili ısıtma elemanından gelen ısı akışı, titanyum tüpün iç duvarını suyla temas eden dış duvardan çok daha sıcak bir şekilde ısıtır. Bu iç duvar sıcaklığının belirli bir seviyesinde, hidrojen emiliminin hızı aşırı derecede yükselir ve hidrit üretimi yıllar yerine aylar içinde gerçekleşir.

Basınçlı suda yüksek sıcaklıkta hidrürleme mekanizması

Su, titanyumun yüzeyinde 150 derecenin üzerinde ayrışır: H2O → H+ + OH-. Protonlar, titanyum kafesine yayılan atomik hidrojene dönüştürülür. Titanyumdaki hidrojenin çözünürlüğü sıcaklıkla birlikte 100 derecede 200 ppm'den 200 derecede 1.500 ppm'nin üstüne kadar önemli ölçüde artar. Yerel hidrojen konsantrasyonu terminal katı çözünürlüğünü (TSS) aştığında titanyum hidrit (TiH2) çöker. Hidrit fazının hacmi çevredeki titanyumdan %17 daha fazladır ve bu da mikro çatlaklara neden olan iç gerilimlere neden olur. Yönetim parametresi, ısı akışına ve duvar kalınlığına bağlı olarak dış duvardan 20-50 derece daha yüksek olabilen iç duvarın sıcaklığıdır. Difüzyon, 220 derecelik bir iç duvar ve 200 derecelik bir dış duvar tarafından oluşturulan hidrojen konsantrasyonu gradyanı tarafından, hidritlerin tercihen çökeldiği daha soğuk dış yüzeye doğru yönlendirilir.

Hidritleme Hızı ile İç Duvar Sıcaklığı Arasındaki Kantitatif İlişki

Farklı ısı akışları altında Grade 2 titanyum tüpler üzerinde 200 derecede (16 bar) sıkıştırılmış suda yapılan kontrollü testler, 1000 saatte hidrojen konsantrasyonu artışı olarak aşağıdaki hidrürleme oranlarını doğrulamıştır:

İç duvar sıcaklığı<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.

İç duvar sıcaklığı: 210-230 derece Hidrasyon oranı: 50-100 ppm/1000 saat. 2.000-4.000 saat TSS'ye ulaşma süresi (3-6 ay). Sık denetim ve marjinal servis gerektirir.

İç duvar sıcaklığı. 230 ila 250 derece C: Hidrasyon oranı 200 ila 400 ppm/1.000 saat. 500-1.000 saatlik TSS'ye ulaşma süresi (3-6 hafta). Hidrit trombositleri 500 saat sonra metalografik olarak görülebilir.

İç duvar sıcaklığı > 250 derece: Hidrasyon oranı > 500 ppm/1.000 saat. TSS 200-400 saatte aşıldı. Yüzeyde kavurma ve çatlama gözlemlendi. Felaket niteliğinde bir başarısızlık yakındır.

İzin Verilen Maksimum İç Duvar Sıcaklığı Hesaplama Kılavuzu

Aşağıdaki tablo, izin verilen maksimum iç duvar sıcaklığını ve istenen hizmet ömrü için buna eşlik eden ısı akışı kısıtlamalarını tahmin etmek için gerçekçi bir yaklaşım sunmaktadır.

200 derece Suda İzin Verilen Maksimum İç Duvar Sıcaklığı İstenilen Hizmet ÖmrüBenzer Maksimum Isı Akısı (Dış Çap 20 mm, duvar 1,2 mm)Eşdeğer Maksimum Isı Akısı (25 mm Dış Çap, 1,5 mm Duvar)
5 yıl (43.800 saat) 205 derece 12 W/cm2 10 W/cm2
2 yıl (17.500 saat) 215 derece 18 W/cm2 15 W/cm2
1 yıl (8.760 saat) 225 derece 25 W/cm2 22 W/cm2
6 ay (4.380 saat) 235 derece 32 W/cm² 28 W/cm²
Yalnızca acil servis (1 ay) 250 derece 45W/cm² 40W/cm²
Hidritlenmeyi Önleyecek Mühendislik Tasarımı

İç duvar sıcaklığı, toplu su sıcaklığı, ısı akışı (q), duvar kalınlığı (t) ve titanyum termal iletkenliği (200 derecede k=17 W/m·K) kullanılarak belirlenir: ΔT=(q × t) / k. 20 W/cm2'de 1,2 mm'lik bir duvar için, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 derece. Toplu su 200 derecede --iç duvar 214 derecede --2 yıllık ömür sınırının ötesinde. İlginç bir şekilde, duvar kalınlığının azaltılması, aynı ısı akışı. 0.8 mm duvar için 20 W/cm$^2$ için iç duvar sıcaklığını azaltır; $\\Delta T$=9$^o$C, iç duvar 209$^o$C'de olur, 5 yıllık yaşam için kabul edilebilir. Bu nedenle, korozyona yönelik alışılagelmiş tasarım felsefesinden farklı olarak, daha ince duvarlar, hidrasyon direnci açısından daha iyidir. Paladyumun hidrojen rekombinasyonu üzerindeki katalitik etkisi, Derece 7 titanyumun (paladyumla stabilize edilmiş) eşik iç duvar sıcaklığını yaklaşık 15-20 derece artırır.

Bir spesifikasyon bilgilendirildi

Örneğin, 200 derecelik basınçlı su hizmeti için bir titanyum ısıtıcı belirlenmişse, iç duvar sıcaklığını istenen ısı akışından ve önerilen duvar kalınlığından hesaplayın. 2 yıldan fazla servis ömrü gerektiren uygulamalarda 210 dereceyi aşmayınız. Isı akısı ihtiyaçları > 25 W/cm2 ise, ΔT'yi en aza indirmek için duvar kalınlığını azaltın veya 7. Derece titanyum sağlayın. Isı akışını dağıtın. Tek bir yüksek watt yoğunluklu ısıtıcı yerine birçok düşük watt yoğunluklu ısıtıcı kullanın. Çalışırken ısıtıcının elektrik direncini izleyin. Taban çizgisine göre %10-15'lik bir artış, hidrit üretiminin ve gevrekleşmenin göstergesidir. Borunun dış duvarına bir termokupl takın ve iç duvar sıcaklığını sürekli olarak hesaplayın. Hesaplanan iç duvar sıcaklığı toplam 100 saatten fazla süreyle 230 derece C'yi aşarsa, kalan duvar kalınlığına bakılmaksızın ısıtıcıyı kullanımdan kaldırın. Mühendis, toplu suyun sıcaklığını yönetmek yerine iç duvarın sıcaklığını kontrol eder. Bu, yüksek sıcaklıktaki su sistemlerinde hidrojen kırılganlığının kademeli olarak azalmasını önler.