Wat is voor ondergedompelde verwarming van heet (200 graden) gecomprimeerd water in een drukvat de maximaal toegestane buiswandtemperatuur voordat hydriden plaatsvindt?

Ondergedompelde verwarming van 200 graden C met gecomprimeerd water biedt een bijzondere moeilijkheid voor titanium dompelaars. Bij deze temperatuur is water alleen vloeibaar onder hoge druk (circa 16 bar). De wateromgeving met hoge temperatuur en hoge druk veroorzaakt de thermodynamische instabiliteit van titanium met betrekking tot waterstofabsorptie. Hydrideren wordt bijvoorbeeld diffusie-gecontroleerd en verloopt zonder oppervlaktecorrosie of putvorming; er treedt geen duidelijke verslechtering van het oppervlak op totdat verbrossing een abrupte breuk veroorzaakt. De buiswandtemperatuur in plaats van de bulkwatertemperatuur is de regulerende parameter voor hydriden. De warmtestroom van het interne verwarmingselement verwarmt de binnenwand van de titaniumbuis veel heter dan de buitenwand die in contact komt met water. Op een bepaald niveau van deze binnenwandtemperatuur wordt de snelheid van waterstofabsorptie buitensporig hoog en vindt de hydrideproductie plaats in maanden in plaats van jaren.

Mechanisme voor hydriden bij hoge temperatuur in gecomprimeerd water

Het water dissocieert aan het oppervlak van titanium boven 150 graden: H2O → H+ + OH-. De protonen worden omgezet in atomair waterstof, dat in het titaniumrooster diffundeert. De waterstofoplosbaarheid in titanium neemt dramatisch toe bij een temperatuur van 200 ppm bij 100 graden tot meer dan 1.500 ppm bij 200 graden. Wanneer de lokale waterstofconcentratie de terminale vaste oplosbaarheid (TSS) overschrijdt, slaat titaniumhydride (TiH2) neer. Het volume van de hydridefase is 17% hoger dan dat van het omringende titanium, waardoor interne spanningen ontstaan ​​die microscheurtjes veroorzaken. De bepalende parameter is de temperatuur van de binnenmuur, die 20-50 graden hoger kan zijn dan de buitenmuur, afhankelijk van de warmtestroom en de wanddikte. Diffusie wordt aangedreven door de waterstofconcentratiegradiënt gecreëerd door een binnenwand op 220 graden en de buitenwand op 200 graden, naar het koelere buitenoppervlak waar hydriden bij voorkeur neerslaan.

Kwantitatieve relatie tussen hydreersnelheid en binnenwandtemperatuur

Gecontroleerde testen in samengeperst water van 200 graden (16 bar) op titaniumbuizen van klasse 2 onder verschillende warmtestromen hebben de volgende hydratatiesnelheden bevestigd naarmate de waterstofconcentratie per 1000 uur stijgt:

Temperatuur binnenwand<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.

Binnenwandtemperatuur: 210-230 graden Hydradingssnelheid: 50-100 ppm/1000 uur. Tijd om 2.000-4.000 uur TSS te bereiken (3-6 maanden). Heeft frequente inspectie en marginale service nodig.

Binnenwandtemperatuur. 230 tot 250 graden C: Hydradingssnelheid 200 tot 400 ppm/1000 uur. Tijd om TSS van 500-1.000 uur te bereiken (3-6 weken). Hydridebloedplaatjes metallografisch zichtbaar na 500 uur.

Binnenwandtemperatuur > 250 graden: Hydradingssnelheid > 500 ppm/1.000 uur. TSS overtroffen in 200-400 uur. Waargenomen verschroeiing en barsten van het oppervlak. Een catastrofale mislukking dreigt.

Berekeningsgids voor de maximaal toegestane binnenmuurtemperatuur

Onderstaande tabel geeft een realistische benadering voor het inschatten van de maximaal toegestane binnenwandtemperatuur en de daarbij behorende warmtefluxbeperkingen voor een gewenste levensduur.

Maximaal toegestane binnenwandtemperatuur bij 200 graden water Gewenste levensduur Vergelijkbare maximale warmtestroom (OD 20 mm, muur 1,2 mm) Equivalente maximale warmtestroom (25 mm OD, 1,5 mm muur)
5 jaar (43.800 uur) 205 graden 12 W/cm2 10 W/cm2
2 jaar (17.500 uur) 215 graden 18 W/cm2 15 W/cm2
1 jaar (8.760 uur) 225 graden 25 W/cm2 22 W/cm2
6 maanden (4.380 uur) 235 graden 32 W/cm² 28 W/cm²
Alleen noodservice (1 maand) 250 graden 45W/cm² 40W/cm²
Technisch ontwerp om hydrering te voorkomen

De binnenwandtemperatuur wordt bepaald met behulp van de temperatuur van het bulkwater, de warmtestroom (q), de wanddikte (t) en de thermische geleidbaarheid van titanium (k=17 W/m·K bij 200 graden): ΔT=(q × t) / k. Voor een muur van 1,2 mm bij 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 graad . Bulkwater van 200 graden --binnenwand van 214 graden --levenslimiet van twee jaar overschreden. Interessant is dat het verkleinen van de wanddikte de temperatuur van de binnenwand verlaagt bij dezelfde warmtestroom van . 0.8 mm wand 20 W/cm$^2$ geeft $\\Delta T$=9$^o$C, binnenwand bij 209$^o$C, acceptabel voor een levensduur van 5 jaar. Dunnere wanden zijn dus beter voor de hydratatiebestendigheid, in tegenstelling tot de gebruikelijke ontwerpfilosofie voor corrosie. De katalytische impact van palladium op waterstofrecombinatie verhoogt de drempeltemperatuur van de binnenwand van titanium van klasse 7 (palladium-gestabiliseerd) met ongeveer 15-20 graden.

Een specificatie geïnformeerd

Als er bijvoorbeeld een titaniumverwarmer is gespecificeerd voor een perswatervoorziening van 200 graden, bereken dan de temperatuur van de binnenwand op basis van de gewenste warmtestroom en de voorgestelde wanddikte. Voor elke toepassing die een levensduur van meer dan 2 jaar nodig heeft, mag de temperatuur niet hoger zijn dan 210 graden. Als de warmtestroombehoefte > 25 W/cm2 is, verlaag dan de wanddikte om ΔT te minimaliseren of zorg voor titanium van klasse 7. Verspreid de warmtestroom. Gebruik veel verwarmers met een lage wattdichtheid in plaats van één verwarmer met een hoge wattdichtheid. Controleer de elektrische weerstand van de verwarming in bedrijf. Een stijging van 10-15% ten opzichte van de basislijn is indicatief voor hydrideproductie en verbrossing. Installeer een thermokoppel op de buitenwand van de buis en bereken continu de binnenwandtemperatuur. Als de berekende temperatuur van de binnenwand gedurende meer dan 100 uur de 230 graden Celsius overschrijdt, moet u de verwarming buiten gebruik stellen, ongeacht de resterende wanddikte. In plaats van de temperatuur van het bulkwater te beheren, regelt de ingenieur de temperatuur van de binnenwand. Dit voorkomt het geleidelijk falen van waterstofverbrossing in watersystemen met hoge temperaturen.