Hvilken veggtykkelse av titan grad 2 forhindrer hydrogenskader i avsaltningsbrinevarmere (fler-blink) ved 120 grader med avluftet saltlake?

Multi-blits (MSF) avsaltningsbrinevarmere fungerer ved 110-120 grader med avluftet saltlake (oppløst oksygen<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.

Mekanisme for hydrogenskade i avluftet saltlake
I luftet saltlake reduseres oksygen på titanoverflaten, noe som holder potensialet edel og forhindrer hydrogenutvikling. I avluftet saltlake (oksygen<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.

Hastigheten for hydrogenabsorpsjon er en funksjon av temperatur, saltvannskjemi og tilstanden til titanoverflaten. Absorberer hydrogen i MSF saltlake ved 120 grader (70 000-80 000 ppm Cl-, avluftet) 0,05-0,15 ppm/time Grad 2

Tid til hydrogenkonsentrasjon Kritisk
Fra det opprinnelige hydrogennivået på 30-50 ppm (glødet grad 2) er varigheten for å nå den kritiske 150 ppm-terskelen: nødvendig absorpsjon=100-120 ppm. Forutsatt en absorpsjonshastighet i mellomområdet på 0,10 ppm/time, tid=100 / 0.10=1 000 timer. Ved 0,15 ppm per time, tid=100/0.15=667 timer.

Slike korte tidsrammer (1-2 måneder) viser at grad 2 raskt ville bli sprø i avluftet saltlake ved 120 grader. Imidlertid bruker Leger Uten Grenser brinevarmere i praksis avluftet saltlake med gjenværende oksygen (10-20 ppb) og opererer ofte under lett oksiderende forhold på titanoverflaten på grunn av kloramin eller andre tilsetningsstoffer. I ekte planter er absorpsjonshastighetene lavere, 0,01-0,05 ppm per time, slik at det tar 2.000-10.000 timer (3-12 måneder) å nå den kritiske konsentrasjonen. Dette er fortsatt for tregt for langsiktig service.

Veggtykkelse av avbøtende
Ingen veggtykkelse er ingen barriere for hydrogenabsorpsjon. Hydrogen diffunderer i titan uavhengig av veggtykkelse. Tykkere vegger gir mer materiale for å motstå hydridsprekker før perforering. Når hydrid er dannet, beveger sprekker seg gjennom veggen. Jo tykkere veggen er, jo lenger når den skal sprekke.

For grad 2 i avluftet saltlake ved 120 grader er forbindelsen mellom veggtykkelse og tid til perforering på grunn av hydrogenskade (etter at absorpsjonen begynner) rimelig lineær:

Veggtykkelse (mm) Tid til hydrid-sprekkeinitiering (måneder) Tid fra initiering til perforering (måneder Total levetid (måneder)
0,9 mm 3-6 1-2 4-8 1.2 mm 3-6 2-3 5-9 1.65 mm 3-6 3-5 6-11 2.0 mm 3-6 4-6 7-12
2,5 mm 3-6 5-8 8-14
Ingen veggtykkelse vil gi 10 års levetid fordi hydrogenabsorpsjonen ikke stoppes. Sprekking vil starte innen måneder, uansett hvilken tykkelse som brukes. Tykkere vegger forsinker punktering, men forhindrer ikke feil.

Andre alternativer
Økt veggtykkelse gir ikke lang levetid, derfor kreves andre trinn:

Oksygen, rest: Oppløst oksygen bør være større enn 50 ppb (mindre enn 200 ppb for å begrense korrosjon av karbonstål). Dette gjør den katodiske reaksjonen oksygenreduksjon. Dette undertrykker hydrogenutviklingen.

Bruk kloramin eller andre oksidanter: Tilsett 0,5-2 ppm kloramin til saltlaken for å fungere som en katodisk oksidant.

Oppgrader til grad 7: Palladium (0,12-0,25%) katalyserer oksygenreduksjon selv ved svært lave oksygenkonsentrasjoner og undertrykker hydrogenabsorpsjon. Grad 7 i avluftet saltlake ved 120 grader absorberer hydrogen<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Katodisk beskyttelse reversering: Fest titan til et mer edelt metall (platina eller gull) for å flytte potensialet inn i oksygenreduksjonsområdet. Ikke praktisk for MSF-varmere.

MSF Brine Heaters Application Matrix
Saltlaketilstand oppløst oksygen (ppb) Anbefalt veggtykkelse av titankvalitet Forventet levetid
Avluftet (typisk Leger Uten Grenser)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Avluftet med kloramintilsetning<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Lite oksygen (opprørt tilstand) 20-50 ppb Grad 2 2.0 mm 3-5 år
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb klasse 2 1.65 mm 10+ år (selv om karbonstål korroderer)
Grad 2 titan er ikke egnet for Leger Uten Grenser avsaltningsvannvarmere ved 120 grader med avluftet saltlake (oksygen)<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.