عند استخدام سخانات التيتانيوم المغمورة في البروميد-سوائل الطاقة الحرارية الأرضية الغنية، ما هو الحد الأقصى المسموح به لتدفق الحرارة قبل بدء التآكل الموضعي؟
ترك رسالة
تعاني السخانات المعدنية القياسية من مشكلة خاصة تتعلق بالكيمياء العدوانية للسوائل الحرارية الأرضية من الآبار العميقة. تحتوي بعض المحاليل الملحية الحرارية الأرضية على تركيزات بروميد تصل إلى 500-1200 جزء في المليون، وبعضها يحتوي أيضًا على كلوريد (10000-30000 جزء في المليون)، والكبريتيدات المذابة، ودرجات حرارة عالية (120-200 درجة عند رأس البئر). غالبًا ما يستخدم التيتانيوم من الدرجة 2 أو الدرجة 7 لمقاومة التآكل بشكل عام، لكن أيونات البروميد تمثل تهديدًا خاصًا: فهي تهاجم طبقة الأكسيد السلبي بقوة أكبر من الكلوريد في ظروف التدفق الحراري العالي. الحد الأقصى المسموح به لتدفق الحرارة، أي الطاقة الحرارية التي يتم توصيلها لكل وحدة مساحة من سطح الأنبوب، يحدد ما إذا كان السخان سيعمل بأمان لسنوات أو سيفشل بسبب الحفر الموضعي في غضون أشهر. عندما يتم تجاوز التدفق الحراري الحرج، تتغير الكيمياء الكهربائية السطحية من السلبية إلى النشطة وينتج عن ذلك تكوين حفر والتي ستخترق بسرعة حتى الأنابيب السميكة ذات الجدران-.
آلية تأثير البروميد-على التنقر عند التدفق الحراري العالي
إن طلاء TiO₂ الواقي على التيتانيوم يكون مستقرًا فقط في نطاق محتمل كهروكيميائي ودرجة حرارة معينة. يقوم السخان الغاطس بحقن الكهرباء في محلول ملحي من الطاقة الحرارية الأرضية، وتتجاوز درجة حرارة سطح الأنبوب درجة حرارة السائل السائب بمقدار دلتا (ΔT) يتناسب مع تدفق الحرارة ويتناسب عكسيا مع معامل نقل الحرارة. بالنسبة لحالة التدفق المضطرب النموذجي (h=5,000 W/m2K) فإن التدفق الحراري بمقدار 50 kW/m2 ينتج عنه ΔT يقارب 10 درجة. أيونات البروميد أكبر وأقل رطوبة من أيونات الكلوريد وبالتالي تمتز بقوة أكبر على أسطح التيتانيوم عند درجات الحرارة المرتفعة. بالنسبة للتدفقات الحرارية التي تتجاوز قيمة حد معين-لالمادة، فإن درجة حرارة السطح المحلية تدفع الإمكانات الكهروكيميائية إلى المنطقة العابرة ويفشل فيلم الأكسيد. وبمجرد أن تشكل الحفرة كثافة تيار عالية في الحفرة، فإنها تؤدي إلى تحمض موضعي (يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني أقل من 1) وتتحد أيونات البروميد مع أيونات التيتانيوم مما يمنع إعادة التخميل. تظهر بيانات اختبار الطاقة الحرارية الأرضية أن التدفق الحراري الأساسي لمحاليل البروميد الملحية أقل بنسبة 30-40% تقريبًا من محلول الكلوريد -المحلول الملحي فقط بتركيزات متساوية.
العلاقة الكمية بين تركيز البروميد والتدفق الحراري وزمن التنقر
أنشأت التحقيقات المعملية غلافًا تشغيليًا آمنًا محافظًا من خلال مراقبة الضوضاء الكهروكيميائية. بالنسبة للتيتانيوم من الدرجة الثانية في محلول ملحي حراري جوفي يحتوي على 800 جزء في المليون Br− و15000 جزء في المليون Cl− ودرجة حرارة كتلة تبلغ 130 درجة، فإن العلاقات التالية هي:
التدفق الحراري <25 كيلو واط/م²: كثافة التيار السلبي <0.1 ميكرو أمبير/سم². لا تأليب في 5000 ساعة
25-35 كيلو واط/م2: يحدث تأليب متبدل الاستقرار (العابرون الحاليون من 1 إلى 10 ميكرو أمبير) على الرغم من أن عملية إعادة التنشيط عادة ما تكون ناجحة. تخترق الحفر المستقرة سمك الجدار بمقدار 0.5 مم خلال 1500 إلى 2000 ساعة.
التدفق الحراري 35-45 كيلووات/م2: يبدأ التنقر المستقر بعد 200-500 ساعة. زيادة معدل نمو الحفرة من 0.01 ملم/ساعة إلى 0.05 ملم/ساعة
التدفق الحراري > 45 كيلو واط/م²: يؤدي التنقر السريع إلى ثقب جدار الأنبوب بقطر 1.2 مم<300 hours.
يزداد التدفق الحراري الحرج للتيتانيوم 7-درجة (البلاديوم 0.12-0.25%) بحوالي 30% بسبب التأثير التحفيزي للمعدن النبيل على إعادة التخميل. الحد الأقصى المسموح به لتدفق الحرارة للتشغيل على المدى الطويل (عمر 10 سنوات مع<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.
السيناريو-الدليل المستند إلى اختيار التدفق الحراري
يقدم الجدول أدناه إطار عمل للاختيار بناءً على التركيبة المحددة لمحلول المياه المالحة للطاقة الحرارية الأرضية واستراتيجية التشغيل.
حالة المياه المالحة للطاقة الحرارية الأرضية والأولوية التشغيلية الموصى بها الحد الأقصى لتدفق الحرارة الأساس المنطقي والتجارة-تم إيقافه في الاعتبار
البروميد<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
بروميد 300-800 جزء في المليون، تشغيل متقطع (تدوير حراري يومي) تيتانيوم درجة 7 30-35 كيلو واط/م2يساعد ركوب الدراجات على تقليل الضرر التراكمي. يوفر الصف 7 هامش إعادة التفويض. يؤدي التدفق المنخفض إلى زيادة مساحة سطح المدفأة بنسبة 15 إلى 25 بالمائة.
Bromide >800 جزء في المليون، المناطق الراكدة موجودة (تسخين خزان التدفق المنخفض-) من الدرجة 7 أو الدرجة 12 20-25 كيلووات/م2 تصميم محافظ للسلامة. تحتاج إلى سخان ذو طول أطول أو أكثر من سخان. يتطلب رأس مال أكثر تكلفة.
بروميد-محلول ملحي غني مع كبريتيد الهيدروجين (H2S > 50 جزء في المليون) أي درجة تيتانيوم أقل من أو تساوي 20 كيلووات/م2 تنافس الكبريتيدات عملية الأكسدة. الحد الأدنى جدًا من التدفق المطلوب. انظر إلى المواد الأخرى (على سبيل المثال، التيتانيوم-البلاديوم ذو الحماية الكاثودية).
الهندسة وراء التدفق الحراري
لا ينبغي إهمال سرعة التدفق في تقييم تدفق الحرارة. بالنسبة للسرعات الأقل من 0.3 م/ث، يرتفع سمك الطبقة الحدودية، مما يزيد من درجة حرارة سطح الأنبوب لنفس التدفق الحراري بمقدار 5-8 درجات إضافية. يؤدي هذا إلى تقليل الحد الأقصى للتدفق المسموح به بنسبة 15-20%. يعتمد التفاعل أيضًا على سمك الجدار، حيث أن الجدران السميكة تزيد من فترة انتشار الحفرة، ولكن ليس عتبة البدء. لذلك، بالنسبة للسوائل الحرارية الأرضية الغنية بالبروميد-، فمن الأفضل استخدام تدفق حراري أقل بجدار تقليدي يبلغ سمكه 1.0 مم بدلاً من زيادة سمك الجدار إلى 1.5 مم دون التأثير على كثافة الطاقة. توفر المراقبة المتكررة لإمكانية تقليل أكسدة المحلول الملحي (ORP) تحذيرًا مبكرًا: انخفاض في ORP أقل من +200 مللي فولت مقابل Ag/AgCl بالقرب من سطح الأنبوب يسبق بداية التنقر.
التحديد على وجه اليقين
يجب على المشتري تحديد الحد الأقصى المعتمد لتدفق الحرارة المسموح به استنادًا إلى كيمياء المحلول الملحي الحقيقي أو الاختبار القياسي (ASTM G78 لتآكل الشقوق مع تدفق الحرارة المطبق) عند اختيار سخان غاطس من التيتانيوم للسوائل الحرارية الأرضية المحملة بالبروميد -، والتأكد من تنفيذ ذلك بواسطة المورد. استخدم التيتانيوم درجة 7 عندما يتجاوز البروميد 500 جزء في المليون أو عندما يتطلب عدم اليقين التشغيلي هامش أمان. يجب أن يقلل تصميم مجموعة السخان من تدفق الحرارة السطحية إلى أقل من 30 كيلووات/م2 في معظم الحالات، وذلك باستخدام عناصر سخان أطول أو متعددة بدلاً من كثافة واط أعلى. تعمل هذه الطريقة المحافظة على تحويل سخان التيتانيوم من مكون عالي المخاطر إلى أصل موثوق به في واحدة من أصعب بيئات السوائل الصناعية.
