For nedsenket oppvarming av varmt (200 grader) komprimert vann i en trykkbeholder, hva er den maksimalt tillatte rørveggtemperaturen før hydrering skjer?

200 grader C nedsenket oppvarming med komprimert vann gir en spesiell vanskelighet for el-varmere i titan. Ved denne temperaturen er vann kun flytende under høyt trykk (rundt 16 bar). Vannmiljøet med høy temperatur og høyt trykk forårsaker den termodynamiske ustabiliteten til titan med hensyn til hydrogenabsorpsjon. Hydriding, for eksempel, er diffusjon-kontrollert og avanserer uten overflatekorrosjon eller gropdannelse; ingen tydelig overflateforringelse oppstår før sprøhet forårsaker et brå brudd. Rørveggtemperaturen i stedet for bulkvanntemperaturen er den regulerende parameteren for hydrering. Varmestrømmen fra det indre varmeelementet varmer innerveggen til titanrøret mye varmere enn ytterveggen i kontakt med vann. På et visst nivå av denne indre veggtemperaturen blir hastigheten for hydrogenabsorpsjon overdrevent høy og hydridproduksjon skjer i måneder i stedet for år.

Mekanisme for høytemperaturhydrering i komprimert vann

Vannet dissosieres ved overflaten av titan over 150 grader : H2O → H+ + OH-. Protonene omdannes til atomært hydrogen, som diffunderer inn i titangitteret. Hydrogenløseligheten i titan vokser dramatisk med temperatur fra 200 ppm ved 100 grader til mer enn 1500 ppm ved 200 grader. Når den lokale konsentrasjonen av hydrogen overgår den terminale faste løseligheten (TSS), utfelles titanhydrid (TiH2). Volumet av hydridfasen er 17 % høyere enn det omgivende titanet, noe som forårsaker indre spenninger som forårsaker mikrosprekker. Den styrende parameteren er temperaturen på innerveggen, som kan være 20-50 grader høyere enn ytterveggen, avhengig av varmefluksen og veggtykkelsen. Diffusjon drives av hydrogenkonsentrasjonsgradienten skapt av en indre vegg ved 220 grader og ytterveggen ved 200 grader, til den kjøligere ytre overflaten hvor hydrider fortrinnsvis utfelles.

Kvantitativt forhold mellom hydreringshastighet og indre veggtemperatur

Kontrollert testing i komprimert vann ved 200 grader (16 bar) på grad 2 titanrør under forskjellige varmeflukser har bekreftet følgende hydreringshastigheter når hydrogenkonsentrasjonen øker per 1000 timer:

Innerveggtemperatur<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.

Innerveggtemperatur: 210-230 grader Hydriderhastighet: 50-100 ppm/1000 timer. Tid til å nå 2000-4000 timer TSS (3-6 måneder). Trenger hyppig inspeksjon og marginal service.

Innerveggtemperatur. 230 til 250 grader C: Hydringshastighet 200 til 400 ppm/1000 timer. Tid til å nå TSS på 500-1000 timer (3-6 uker). Hydridplater metallografisk synlige etter 500 timer.

Innerveggtemperatur > 250 grader : Hydreringshastighet > 500 ppm/1000 timer. TSS passerte på 200-400 timer. Observert overflate svidd og sprekker. Katastrofal fiasko er nært forestående.

Beregningsguide for maksimal tillatt innerveggtemperatur

Tabellen nedenfor gir en realistisk tilnærming for å estimere maksimal tillatt innerveggtemperatur og medfølgende varmefluksrestriksjoner for ønsket levetid.

Maksimal tillatt indre veggtemperatur ved 200 grader Vann Ønsket levetidLignende maksimal varmefluks (OD 20 mm, vegg 1,2 mm) Tilsvarende maksimal varmefluks (25 mm OD, 1,5 mm vegg)
5 år (43 800 timer) 205 grader 12 W/cm2 10 W/cm2
2 år (17 500 timer) 215 grader 18 W/cm2 15 W/cm2
1 år (8 760 timer) 225 grader 25 W/cm2 22 W/cm2
6 måneder (4380 timer) 235 grader 32 W/cm² 28 W/cm²
Kun nødtjeneste (1 måned) 250 grader 45W/cm² 40W/cm²
Teknisk design for å forhindre hydrering

Den indre veggtemperaturen bestemmes ved å bruke bulkvanntemperaturen, varmestrømmen (q), veggtykkelsen (t) og termisk ledningsevne av titan (k=17 W/m·K ved 200 grader): ΔT=(q × t) / k. For en 1,2 mm vegg ved 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 grader . Bulkvann ved 200 grader --innervegg ved 214 grader -- utover 2-års levetid. Interessant nok, reduserer veggtykkelsen den indre veggtemperaturen for samme varmefluks. 0.8 mm vegg 20 W/cm$^2$ gir $\\Delta T$=9$^o$C, indre vegg ved 209$^o$C, akseptabelt for 5-års levetid. Tynnere vegger er dermed bedre for hydreringsmotstand i motsetning til den vanlige designfilosofien for korrosjon. Den katalytiske påvirkningen av palladium på hydrogenrekombinasjon øker terskelens indre veggtemperatur for grad 7 titan (palladiumstabilisert) med omtrent 15–20 grader.

En spesifikasjon informert

For eksempel, hvis en titanvarmer er spesifisert for en 200 graders komprimert vanntjeneste, beregner den indre veggtemperaturen fra ønsket varmefluks og foreslått veggtykkelse. For enhver applikasjon som trenger en levetid på over 2 år må ikke overskride 210 grader. Hvis varmefluksbehovet er > 25 W/cm2, enten lavere veggtykkelse for å minimere ΔT eller gi grad 7 titan. Spre ut varmestrømmen. Bruk mange varmeovner med lav watttetthet i stedet for én varmeovn med høy watttetthet. Overvåk den elektriske motstanden til varmeren i drift. En økning på 10–15 % i forhold til baseline er en indikasjon på hydridproduksjon og sprøhet. Installer et termoelement på utsiden av røret og beregn kontinuerlig innvendig veggtemperatur. Hvis den beregnede innerveggstemperaturen overstiger 230 grader C i mer enn 100 kumulative timer, må varmeren tas ut av drift uavhengig av gjenværende veggtykkelse. I stedet for å styre temperaturen på bulkvannet, kontrollerer ingeniøren temperaturen på den indre veggen. Dette forhindrer gradvis svikt i hydrogensprøhet i vannsystemer med høy temperatur.