في سخانات تحلية المياه المالحة (وميض متعدد المراحل) عند 120 درجة مع محلول ملحي منزوع الهواء، ما سمك جدار التيتانيوم من الدرجة 2 الذي يمنع تلف الهيدروجين؟
ترك رسالة
تعمل سخانات تحلية المياه المالحة متعددة المراحل (MSF) بدرجة حرارة 110-120 درجة مع محلول ملحي منزوع الهواء (الأكسجين المذاب<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.
آلية تلف الهيدروجين في محلول ملحي منزوع الهواء
في محلول ملحي هوائي، يتم تقليل الأكسجين على سطح التيتانيوم، مما يحافظ على النبيلة المحتملة ويمنع تطور الهيدروجين. في محلول ملحي منزوع الهواء (الأكسجين<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.
يعتمد معدل امتصاص الهيدروجين على درجة الحرارة وكيمياء المحلول الملحي وحالة سطح التيتانيوم. يمتص الهيدروجين في محلول ملحي MSF عند 120 درجة (70,000-80,000 جزء في المليون Cl-، منزوع الهواء) 0.05-0.15 جزء في المليون/ساعة الدرجة 2
الوقت لتركيز الهيدروجين أمر بالغ الأهمية
بدءًا من مستوى الهيدروجين الأولي البالغ 30-50 جزء في المليون (درجة التلدين 2) فإن المدة اللازمة للوصول إلى العتبة الحرجة البالغة 150 جزء في المليون هي: الامتصاص المطلوب=100-120 جزء في المليون. بافتراض معدل امتصاص متوسط المدى 0.10 جزء في المليون/ساعة، الزمن=100 / 0.10=1,000 ساعة. بمعدل 0.15 جزء في المليون في الساعة، الوقت=100/0.15=667 ساعة.
تُظهر هذه الأطر الزمنية القصيرة (1-2 شهرًا) أن الدرجة الثانية سوف تتقصف بسرعة في محلول ملحي منزوع الهواء عند درجة حرارة 120 درجة. ومع ذلك، في الممارسة العملية، تستخدم سخانات المياه المالحة MSF محلول ملحي منزوع الهواء مع الأكسجين المتبقي (10-20 جزء في البليون) وغالبًا ما تعمل في ظروف مؤكسدة قليلاً على سطح التيتانيوم بسبب الكلورامين أو المواد المضافة الأخرى. في النباتات الحقيقية تكون معدلات الامتصاص أقل، 0.01-0.05 جزء في المليون في الساعة، بحيث يستغرق الأمر 2000-10000 ساعة (3-12 شهرًا) للوصول إلى التركيز الحرج. لا يزال هذا بطيئًا جدًا بالنسبة للخدمة طويلة المدى.
سمك الجدار للتخفيف
لا يشكل سمك الجدار عائقًا أمام امتصاص الهيدروجين. ينتشر الهيدروجين في التيتانيوم بشكل مستقل عن سمك الجدار. توفر الجدران السميكة المزيد من المواد لمقاومة تكسير الهيدريد قبل التثقيب. بمجرد تكوين الهيدريد، تنتقل الشقوق عبر الجدار. كلما كان الجدار أكثر سمكًا، كلما طالت مدة تشققه.
بالنسبة للصف الثاني في-المحلول الملحي المنزوع الهواء عند درجة 120 درجة، تكون العلاقة بين سمك الجدار ووقت التثقيب بسبب تلف الهيدروجين (بعد بدء الامتصاص) خطية إلى حد معقول:
سمك الجدار (مم) الوقت اللازم لبدء صدع الهيدريد (أشهر) الوقت من البداية إلى الثقب (أشهر) إجمالي عمر الخدمة (أشهر)
0.9 ملم 3-6 1-2 4-8 1.2 ملم 3-6 2-3 5-9 1.65 ملم 3-6 3-5 6-11 2.0 ملم 3-6 4-6 7-12
2.5 ملم 3-6 5-8 8-14
لن يمنح أي سمك للجدار عمرًا يصل إلى 10 سنوات لأن امتصاص الهيدروجين لا يتوقف. سيبدأ التشقق في غضون أشهر، بغض النظر عن السمك المستخدم. الجدران السميكة تؤخر الثقب ولكنها لا تمنع الفشل.
خيارات أخرى
زيادة سماكة الجدار لا تعطي عمراً طويل الأمد، ومن هنا يلزم خطوات أخرى:
الأكسجين المتبقي: يجب أن يكون الأكسجين المذاب أكبر من 50 جزء في البليون (أقل من 200 جزء في البليون للحد من تآكل الفولاذ الكربوني). وهذا يجعل رد الفعل الكاثودي تخفيض الأكسجين. وهذا يمنع تطور الهيدروجين.
استخدم الكلورامين أو المواد المؤكسدة الأخرى: أضف 0.5-2 جزء في المليون من الكلورامين إلى المحلول الملحي ليكون بمثابة مؤكسد كاثودي.
الترقية إلى الدرجة 7: يحفز البلاديوم (0.12-0.25%) تقليل الأكسجين حتى عند تركيزات الأكسجين المنخفضة جدًا ويمنع امتصاص الهيدروجين. الصف 7 في محلول ملحي منزوع الهواء عند 120 درجة يمتص الهيدروجين<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.
* عكس الحماية الكاثودية: قم بتوصيل التيتانيوم بمعدن أكثر نبلاً (البلاتين أو الذهب) لتحويل الإمكانات إلى نطاق تقليل الأكسجين. غير عملي لسخانات منظمة أطباء بلا حدود.
مصفوفة تطبيق سخانات المياه المالحة لمنظمة أطباء بلا حدود
حالة المحلول الملحي الأكسجين المذاب (ppb) سمك الجدار الموصى به من فئة التيتانيوم العمر المتوقع
منزوعة الهواء (MSF نموذجي)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
منزوع الهواء بإضافة الكلورامين<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
انخفاض الأكسجين (حالة مضطربة) 20-50 جزء في البليون درجة 2 2.0 ملم 3-5 سنوات
Aerated (maintenance bypass) >200 جزء في المليون درجة 2 1.65 مم 10+ سنة (على الرغم من تآكل الفولاذ الكربوني)
التيتانيوم من الدرجة الثانية غير مناسب لسخانات محلول ملحي لتحلية المياه MSF عند 120 درجة مع محلول ملحي منزوع الهواء (الأكسجين<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.
