Til nedsænket opvarmning af varmt (200 grader) komprimeret vand i en trykbeholder, hvad er den maksimalt tilladte rørvægstemperatur, før hydrering finder sted?

200 grader C nedsænket opvarmning med komprimeret vand tilbyder en særlig vanskelighed for dykvarmere i titanium. Ved denne temperatur er vand kun flydende under højt tryk (omkring 16 bar). Vandmiljøet med høj temperatur og højt tryk forårsager titaniums termodynamiske ustabilitet med hensyn til brintabsorption. Hydriding er f.eks. diffusionskontrolleret-og fortsætter uden overfladekorrosion eller grubetæring; ingen tydelig overfladeforringelse forekommer, før skørhed forårsager et brat brud. Rørvægstemperaturen frem for bulkvandstemperaturen er den regulerende parameter for hydrering. Varmefluxen fra det indvendige varmeelement opvarmer titaniumrørets indervæg meget varmere end ydervæggen i kontakt med vand. På et eller andet niveau af denne indvendige vægtemperatur bliver hydrogenabsorptionshastigheden overdrevent høj, og hydridproduktion sker i måneder i stedet for år.

Mekanisme af højtemperaturhydrering i komprimeret vand

Vandet dissocierer ved overfladen af ​​titanium over 150 grader : H2O → H+ + OH-. Protonerne omdannes til atomart brint, som diffunderer ind i titaniumgitteret. Brintopløselighed i titanium vokser dramatisk med temperatur fra 200 ppm ved 100 grader til mere end 1.500 ppm ved 200 grader. Når den lokale koncentration af brint overstiger den terminale faste opløselighed (TSS), udfældes titaniumhydrid (TiH2). Volumenet af hydridfasen er 17% højere end det omgivende titanium, hvilket forårsager indre spændinger, som forårsager mikrorevner. Den styrende parameter er temperaturen på indervæggen, som kan være 20-50 grader højere end ydervæggen afhængig af varmefluxen og vægtykkelsen. Diffusion drives af brintkoncentrationsgradienten skabt af en indre væg ved 220 grader og den ydre væg ved 200 grader til den køligere ydre overflade, hvor hydrider fortrinsvis præcipiterer.

Kvantitativt forhold mellem hydreringshastighed og indre vægtemperatur

Kontrolleret test i komprimeret vand ved 200 grader (16 bar) på grad 2 titaniumrør under forskellige varmestrømme har bekræftet følgende hydreringshastigheder, når brintkoncentrationen stiger pr. 1.000 timer:

Indvendig vægtemperatur<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.

Indvendig vægtemperatur: 210-230 grader Hydriding rate: 50-100 ppm/1000 timer. Tid til at nå 2.000-4.000 timers TSS (3-6 måneder). Har brug for hyppig inspektion og marginal service.

Indvendig vægtemperatur. 230 til 250 grader C: Hydreringshastighed 200 til 400 ppm/1.000 timer. Tid til at nå TSS på 500-1.000 timer (3-6 uger). Hydridplader metallografisk synlige efter 500 timer.

Indvendig vægtemperatur > 250 grader : Hydriding rate > 500 ppm/1.000 timer. TSS overgået på 200-400 timer. Iagttaget svidning og revner i overfladen. Katastrofal fiasko er nært forestående.

Beregningsvejledning for maksimal tilladt indervægstemperatur

Tabellen nedenfor giver en realistisk tilgang til estimering af den maksimalt tilladte indervægstemperatur og de medfølgende varmefluxrestriktioner for en ønsket levetid.

Maksimal tilladt indvendig vægtemperatur ved 200 grader Vand Ønsket levetid Lignende maksimal varmeflux (OD 20 mm, væg 1,2 mm) Tilsvarende maksimal varmeflux (25 mm OD, 1,5 mm væg)
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 (4.380 timer) 235 grader 32 W/cm² 28 W/cm²
Kun nødhjælp (1 måned) 250 grader 45W/cm² 40W/cm²
Teknisk design for at forhindre hydrering

Den indvendige vægs temperatur bestemmes ved hjælp af bulkvandets temperatur, varmeflow (q), vægtykkelse (t) og titanium termisk ledningsevne (k=17 W/m·K ved 200 grader): ΔT=(q × t) / k. For en 1,2 mm væg ved 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 grader . Bulkvand ved 200 grader --indvendig væg ved 214 grader -- ud over 2-års levetidsgrænse. Interessant nok reduceres den indre vægs temperatur for den samme varmeflux. 0.8 mm væg 20 W/cm$^2$, der giver $\\Delta T$=9$^o$C, indervæg ved 209$^o$C, acceptabelt i 5-års levetid. Tyndere vægge er således bedre til hydreringsmodstand i modsætning til den sædvanlige designfilosofi for korrosion. Den katalytiske påvirkning af palladium på hydrogenrekombination hæver tærsklens indre vægtemperatur for grad 7 titanium (palladium-stabiliseret) med cirka 15-20 grader.

En specifikation informeret

For eksempel, hvis en titaniumvarmer er specificeret til en 200 graders komprimeret vandservice, skal du beregne den indvendige vægtemperatur ud fra den ønskede varmeflux og foreslåede vægtykkelse. For enhver applikation, der kræver en levetid på over 2 år, må den ikke overstige 210 grader. Hvis varmefluxbehovet er > 25 W/cm2, skal du enten sænke vægtykkelsen for at minimere ΔT eller give Grad 7 titanium. Spred varmestrømmen ud. Brug mange varmelegemer med lav watt-densitet i stedet for én varmelegeme med høj watt-tæthed. Overvåg varmerens elektriske modstand i drift. En stigning på 10-15 % i forhold til baseline er tegn på hydridproduktion og skørhed. Installer et termoelement på ydervæggen af ​​røret, og beregn løbende den indvendige vægtemperatur. Hvis den beregnede indvendige vægtemperatur overstiger 230 grader C i mere end 100 kumulative timer, skal varmeren tages ud af drift, uanset den resterende vægtykkelse. I stedet for at styre temperaturen på bulkvandet, kontrollerer ingeniøren temperaturen på indervæggen. Dette forhindrer gradvist svigt af brintskørhed i højtemperaturvandssystemer.