Per a l'escalfament submergit d'aigua comprimida calenta (200 graus) en un recipient a pressió, quina és la temperatura màxima admissible de la paret del tub abans que es produeixi la hidruració?

La calefacció submergida d'aigua comprimida de 200 graus C ofereix una dificultat particular per als escalfadors d'immersió de titani. A aquesta temperatura l'aigua només és líquida a alta pressió (uns 16 bar). L'ambient d'aigua a alta temperatura i alta pressió provoca la inestabilitat termodinàmica del titani pel que fa a l'absorció d'hidrogen. La hidruració, per exemple, es controla la difusió-i avança sense corrosió superficial ni picades; no es produeix cap deteriorament superficial evident fins que la fragilitat provoca una fractura brusca. La temperatura de la paret del tub en lloc de la temperatura de l'aigua a granel és el paràmetre regulador de la hidruració. El flux de calor de l'element de calefacció intern escalfa la paret interior del tub de titani molt més calenta que la paret exterior en contacte amb l'aigua. A algun nivell d'aquesta temperatura de la paret interna, la taxa d'absorció d'hidrogen es torna excessivament alta i la producció d'hidrur es produeix en mesos en lloc d'anys.

Mecanisme d'hidruració a alta temperatura en aigua comprimida

L'aigua es dissocia a la superfície del titani més de 150 graus: H2O → H+ + OH-. Els protons es converteixen en hidrogen atòmic, que es difon a la xarxa de titani. La solubilitat de l'hidrogen en titani creix de manera espectacular amb una temperatura des de 200 ppm a 100 graus fins a més de 1.500 ppm a 200 graus. Quan la concentració local d'hidrogen supera la solubilitat sòlida terminal (TSS), l'hidrur de titani (TiH2) precipita. El volum de la fase d'hidrur és un 17% més gran que el titani circumdant, provocant tensions internes que provoquen microesquerdes. El paràmetre rector és la temperatura de la paret interior, que pot ser 20-50 graus més alta que la paret exterior, depenent del flux de calor i el gruix de la paret. La difusió és impulsada pel gradient de concentració d'hidrogen creat per una paret interior a 220 graus i la paret exterior a 200 graus, cap a la superfície exterior més freda on els hidrurs precipiten preferentment.

Relació quantitativa entre la taxa de hidruració i la temperatura de la paret interna

Les proves controlades en aigua comprimida a 200 graus (16 bar) en tubs de titani de grau 2 sota diferents fluxos de calor han confirmat les següents taxes de hidruració a mesura que la concentració d'hidrogen augmenta cada 1.000 hores:

Temperatura de la paret interior<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.

Temperatura de la paret interna: 210-230 graus Velocitat d'hidratació: 50-100 ppm/1000 h. Temps per arribar a les 2.000-4.000 hores TSS (3-6 mesos). Necessita inspecció freqüent i servei marginal.

Temperatura de la paret interna. 230 a 250 ºC: velocitat d'hidratació de 200 a 400 ppm/1.000 h. Temps per assolir un TSS de 500-1.000 hores (3-6 setmanes). Les plaquetes de hidrur són visibles metalogràficament després de 500 hores.

Temperatura de la paret interior > 250 graus: taxa de hidratació > 500 ppm/1.000 hores. TSS superat en 200-400 hores. S'ha observat esquerdes i esquerdes superficials. El fracàs catastròfic és imminent.

Guia de càlcul per a la temperatura màxima admissible de la paret interior

La taula següent ofereix un enfocament realista per estimar la temperatura màxima permesa de la paret interior i les restriccions de flux de calor acompanyades per a una vida útil desitjada.

Temperatura màxima permesa de la paret interna a 200 graus Vida útil desitjada de l'aigua Flux de calor màxim similar (OD 20 mm, paret 1,2 mm) Flux de calor màxim equivalent (25 mm de diàmetre exterior, paret de 1,5 mm)
5 anys (43.800 hores) 205 graus 12 W/cm2 10 W/cm2
2 anys (17.500 hores) 215 graus 18 W/cm2 15 W/cm2
1 any (8.760 hores) 225 graus 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mesos (4.380 hores) 235 graus 32 W/cm² 28 W/cm²
Només servei d'emergència (1 mes) 250 graus 45W/cm² 40W/cm²
Disseny d'enginyeria per prevenir la hidruració

La temperatura de la paret interior es determina mitjançant la temperatura de l'aigua a granel, el flux de calor (q), el gruix de la paret (t) i la conductivitat tèrmica del titani (k=17 W/m·K a 200 graus ): ΔT=(q × t) / k. Per a una paret d'1,2 mm a 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 grau . Aigua a granel a 200 graus - -paret interior a 214 graus --més enllà del límit de vida útil de 2 anys. Curiosament, disminuir el gruix de la paret disminueix la temperatura de la paret interior per al mateix flux de calor. 0.8 mm paret 20 W/cm$^2$ dóna $\\Delta T$=9$^o$C, paret interior a 209$^o$C, acceptable per a 5 anys de vida. Així, les parets més primes són millors per a la resistència a la hidruració, a diferència de la filosofia de disseny habitual per a la corrosió. L'impacte catalític del pal·ladi en la recombinació d'hidrogen augmenta la temperatura llindar de la paret interna del titani de grau 7 (estabilitzat amb pal·ladi) aproximadament entre 15 i 20 graus.

Una especificació informada

Per exemple, si s'especifica un escalfador de titani per a un servei d'aigua comprimida de 200 graus, calculeu la temperatura de la paret interna a partir del flux de calor desitjat i del gruix de paret proposat. Per a qualsevol aplicació que necessiti una vida útil superior a 2 anys, no supereu els 210 graus. Si les necessitats de flux de calor són > 25 W/cm2, reduïu el gruix de la paret per minimitzar ΔT o proporcioneu titani de grau 7. Repartiu el flux de calor. Utilitzeu molts escalfadors de baixa densitat de watts en lloc d'un escalfador d'alta densitat de watts. Controleu la resistència elèctrica de l'escalfador en funcionament. Un augment del 10 al 15% sobre la línia de base és indicatiu de la producció i la fragilitat d'hidrur. Instal·leu un termopar a la paret exterior del tub i calculeu contínuament la temperatura de la paret interior. Si la temperatura de la paret interior calculada supera els 230 graus C durant més de 100 hores acumulades, retireu l'escalfador del servei independentment del gruix de la paret restant. En lloc de gestionar la temperatura de l'aigua a granel, l'enginyer controla la temperatura de la paret interior. Això evita el fracàs gradual de la fragilització de l'hidrogen en sistemes d'aigua a alta temperatura.