للتسخين المغمور للمياه الساخنة المضغوطة (200 درجة) في وعاء الضغط، ما هي درجة الحرارة القصوى المسموح بها لجدار الأنبوب قبل حدوث الترطيب؟

يوفر التسخين المغمور بالمياه المضغوطة بدرجة 200 درجة مئوية صعوبة خاصة في سخانات الغمر المصنوعة من التيتانيوم. عند درجة الحرارة هذه، يكون الماء سائلًا فقط تحت ضغط عالٍ (حوالي 16 بار). تتسبب بيئة المياه ذات درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي في عدم الاستقرار الديناميكي الحراري للتيتانيوم فيما يتعلق بامتصاص الهيدروجين. الترطيب، على سبيل المثال، يتم التحكم فيه بالانتشار-ويتقدم بدون تآكل السطح أو الحفر؛ لا يحدث أي تدهور واضح في السطح حتى يتسبب التقصف في حدوث كسر مفاجئ. إن درجة حرارة جدار الأنبوب بدلاً من درجة حرارة الماء السائب هي المعلمة المنظمة للترطيب. يقوم تدفق الحرارة من عنصر التسخين الداخلي بتسخين الجدار الداخلي لأنبوب التيتانيوم بشكل أكثر سخونة من الجدار الخارجي الملامس للماء. عند مستوى معين من درجة حرارة الجدار الداخلي، يصبح معدل امتصاص الهيدروجين مرتفعًا بشكل مفرط ويحدث إنتاج الهيدريد في أشهر بدلاً من سنوات.

آلية الترطيب بدرجة حرارة عالية في الماء المضغوط

يتفكك الماء على سطح التيتانيوم بدرجة تزيد عن 150 درجة : H2O → H+ + OH-. يتم تحويل البروتونات إلى هيدروجين ذري، والذي ينتشر في شبكة التيتانيوم. تنمو قابلية ذوبان الهيدروجين في التيتانيوم بشكل كبير مع درجة الحرارة من 200 جزء في المليون عند 100 درجة إلى أكثر من 1500 جزء في المليون عند 200 درجة. عندما يتجاوز التركيز المحلي للهيدروجين قابلية الذوبان الصلبة الطرفية (TSS)، يترسب هيدريد التيتانيوم (TiH2). يكون حجم طور الهيدريد أعلى بنسبة 17% من حجم التيتانيوم المحيط به مما يسبب توترات داخلية تسبب تشققات دقيقة. المعلمة الحاكمة هي درجة حرارة الجدار الداخلي، والتي يمكن أن تكون أعلى بـ 20-50 درجة من الجدار الخارجي، اعتمادًا على تدفق الحرارة وسمك الجدار. يتم الانتشار بواسطة تدرج تركيز الهيدروجين الناتج عن جدار داخلي عند 220 درجة والجدار الخارجي عند 200 درجة، إلى السطح الخارجي الأكثر برودة حيث تترسب الهيدريدات بشكل تفضيلي.

العلاقة الكمية بين معدل الترطيب ودرجة حرارة الجدار الداخلي

أكدت الاختبارات الخاضعة للرقابة في الماء المضغوط عند درجة حرارة 200 درجة (16 بار) على أنابيب التيتانيوم من الدرجة الثانية تحت تدفقات حرارية مختلفة معدلات الترطيب التالية مع ارتفاع تركيز الهيدروجين لكل 1000 ساعة:

درجة حرارة الجدار الداخلي<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.

درجة حرارة الجدار الداخلي: 210-230 درجة معدل الترطيب: 50-100 جزء في المليون/1000 ساعة. الوقت للوصول إلى 2000-4000 ساعة TSS (3-6 أشهر). يحتاج إلى فحص متكرر وخدمة هامشية.

درجة حرارة الجدار الداخلي. 230 إلى 250 درجة مئوية: معدل الترطيب 200 إلى 400 جزء في المليون/1000 ساعة. الوقت للوصول إلى TSS هو 500-1000 ساعة (3-6 أسابيع). صفائح الهيدريد مرئية من الناحية المعدنية بعد 500 ساعة.

درجة حرارة الجدار الداخلي > 250 درجة: معدل الترطيب > 500 جزء في المليون/1000 ساعة. تم تجاوز TSS في 200-400 ساعة. لوحظ احتراق السطح وتشققه. والفشل الكارثي وشيك.

دليل الحساب لدرجة الحرارة القصوى المسموح بها للجدار الداخلي

يقدم الجدول أدناه طريقة واقعية لتقدير الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة الجدار الداخلي وقيود تدفق الحرارة المصاحبة لفترة الخدمة المطلوبة.

الحد الأقصى المسموح به لدرجة حرارة الجدار الداخلي عند 200 درجة من عمر الخدمة المطلوب للمياه، الحد الأقصى لتدفق الحرارة المكافئ (OD 20 مم، الجدار 1.2 مم) الحد الأقصى لتدفق الحرارة المكافئ (25 مم OD، جدار 1.5 مم)
5 سنوات (43800 ساعة) 205 درجة 12 واط/سم2 10 واط/سم2
سنتان (17500 ساعة) 215 درجة 18 واط/سم2 15 واط/سم2
سنة واحدة (8,760 ساعة) 225 درجة 25 واط/سم2 22 واط/سم2
6 أشهر (4380 ساعة) 235 درجة 32 واط/سم² 28 واط/سم²
خدمة الطوارئ فقط (شهر واحد) 250 درجة 45 وات/سم² 40 وات/سم²
التصميم الهندسي لمنع الترطيب

يتم تحديد درجة حرارة الجدار الداخلي باستخدام درجة حرارة الماء بالجملة، والتدفق الحراري (q)، وسمك الجدار (t) والتوصيل الحراري للتيتانيوم (k=17 W/m·K عند 200 درجة): ΔT=(q × t) / k. لجدار 1.2 مم عند 20 وات/سم2، ΔT=(200,000 وات/م2 × 0.0012 م) / 17 وات/م·ك=14 درجة . المياه السائبة عند 200 درجة --الجدار الداخلي عند 214 درجة - أكثر من عامين من الحد الأقصى للحياة. ومن المثير للاهتمام أن تقليل سمك الجدار يقلل من درجة حرارة الجدار الداخلي لنفس التدفق الحراري . 0.8 ملم جدار 20 واط/سم$^2$ يعطي $\\Delta T$=9$^o$C، الجدار الداخلي عند 209$^o$C، مقبول لعمر 5 سنوات. وبالتالي فإن الجدران الرقيقة أفضل لمقاومة الترطيب على عكس فلسفة التصميم المعتادة للتآكل. يؤدي التأثير التحفيزي للبلاديوم على إعادة تركيب الهيدروجين إلى رفع درجة حرارة الجدار الداخلي للتيتانيوم من الدرجة السابعة (المثبت بالبلاديوم) بحوالي 15-20 درجة.

أبلغت المواصفات

على سبيل المثال، إذا تم تحديد سخان تيتانيوم لخدمة مياه مضغوطة بدرجة 200، فاحسب درجة حرارة الجدار الداخلي من تدفق الحرارة المطلوب وسمك الجدار المقترح. لأي تطبيق يحتاج إلى عمر خدمة يزيد عن سنتين لا تتجاوز 210 درجة. إذا كانت احتياجات التدفق الحراري أكبر من 25 واط/سم2، إما خفض سمك الجدار لتقليل ΔT أو توفير التيتانيوم من الدرجة 7. انشر تدفق الحرارة. استخدم العديد من السخانات ذات الكثافة المنخفضة بدلاً من سخان واحد عالي الكثافة. مراقبة المقاومة الكهربائية للسخان أثناء التشغيل. يشير الارتفاع بنسبة 10-15% عن خط الأساس إلى إنتاج الهيدريد والتقصف. قم بتركيب مزدوجة حرارية على الجدار الخارجي للأنبوب وقم بحساب درجة حرارة الجدار الداخلي بشكل مستمر. إذا تجاوزت درجة حرارة الجدار الداخلي المحسوبة 230 درجة مئوية لأكثر من 100 ساعة تراكمية، قم بإزالة المدفأة من الخدمة بغض النظر عن سمك الجدار المتبقي. وبدلاً من إدارة درجة حرارة كمية المياه الكبيرة، يتحكم المهندس في درجة حرارة الجدار الداخلي. وهذا يمنع الفشل التدريجي للتقصف الهيدروجيني في أنظمة المياه ذات درجة الحرارة العالية.