En els escalfadors de salmorra dessalinitzada (flash multi-etapa) a 120 graus amb salmorra desairejada, quin gruix de paret de titani de grau 2 evita el dany per l'hidrogen?

Els escalfadors de salmorra de dessalinització multi-flash (MSF) funcionen a 110-120 graus amb salmorra desaireada (oxigen dissolt)<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.

Mecanisme de dany per l'hidrogen en salmorra desaireada
En salmorra airejada, l'oxigen es redueix a la superfície del titani, mantenint el potencial noble i evitant l'evolució d'hidrogen. En salmorra desaireada (oxigen<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.

La taxa d'absorció d'hidrogen és una funció de la temperatura, la química de la salmorra i l'estat de la superfície del titani. Absorbeix hidrogen a la salmorra de MSF a 120 graus (70.000-80.000 ppm Cl-, desairejat) 0,05-0,15 ppm/h Grau 2

Temps fins a la concentració d'hidrogen crític
A partir del nivell inicial d'hidrogen de 30-50 ppm (recuit Grau 2), la durada per assolir el llindar crític de 150 ppm és: absorció necessària=100-120 ppm. Suposant una taxa d'absorció mitjana de 0,10 ppm/hora, temps=100 / 0.10=1, 000 hores. A 0,15 ppm per hora, temps=100/{0.15=667 hores.

Aquests períodes de temps tan curts (1-2 mesos) mostren que el grau 2 es fragilitzaria ràpidament en salmorra desaireada a 120 graus. Tanmateix, a la pràctica, els escalfadors de salmorra MSF utilitzen salmorra desaireada amb oxigen residual (10-20 ppb) i sovint funcionen en condicions lleugerament oxidants a la superfície del titani a causa de la cloramina o altres additius. A les plantes reals les taxes d'absorció són més baixes, 0,01-0,05 ppm per hora, de manera que es triguen 2.000-10.000 hores (3-12 mesos) a assolir la concentració crítica. Això encara és massa lent per al servei a llarg termini.

Gruix de la paret de mitigació
Cap gruix de paret no és una barrera per a l'absorció d'hidrogen. L'hidrogen es difon en titani independentment del gruix de la paret. Les parets més gruixudes proporcionen més material per resistir l'esquerdament d'hidrur abans de la perforació. Un cop format l'hidrur, les fissures travessen la paret. Com més gruixuda sigui la paret, més llarga serà quan s'esquerdarà.

Per al grau 2 en salmorra de-airejada a 120 graus, la connexió entre el gruix de la paret i el temps fins a la perforació a causa del dany de l'hidrogen (després de l'inici de l'absorció) és raonablement lineal:

Gruix de la paret (mm) Temps fins a l'inici de l'esquerda d'hidrur (mesos) Temps des de l'inici fins a la perforació (mesos Vida útil total (mesos)
0,9 mm 3-6 1-2 4-8 1.2 mm 3-6 2-3 5-9 1.65 mm 3-6 3-5 6-11 2.0 mm 3-6 4-6 7-12
2,5 mm 3-6 5-8 8-14
Cap gruix de paret donarà 10 anys de vida perquè l'absorció d'hidrogen no s'atura. El trencament començarà en uns mesos, independentment del gruix que s'utilitzi. Les parets més gruixudes retarden la punxada però no eviten el fracàs.

Altres Opcions
L'augment del gruix de la paret no dóna vida a llarg termini, per tant, calen altres passos:

Oxigen residual: l'oxigen dissolt ha de ser superior a 50 ppb (menys de 200 ppb per limitar la corrosió de l'acer al carboni). Això fa que la reacció catòdica redueixi l'oxigen. Això suprimeix l'evolució d'hidrogen.

Utilitzeu cloramina o altres oxidants: afegiu 0,5-2 ppm de cloramina a la salmorra per actuar com a oxidant catòdic.

Actualització al grau 7: el pal·ladi (0,12-0,25%) catalitza la reducció d'oxigen fins i tot a concentracions d'oxigen molt baixes i suprimeix l'absorció d'hidrogen. El grau 7 en salmorra desaireada a 120 graus absorbeix hidrogen<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Inversió de la protecció catòdica: connecteu el titani a un metall més noble (platí o or) per canviar el potencial al rang de reducció d'oxigen. No és pràctic per als escalfadors MSF.

Matriu d'aplicació d'escalfadors de salmorra de MSF
Condició de la salmorra Oxigen dissolt (ppb) Grau de titani recomanat Gruix de paret Vida esperada
Desairejat (MSF típic)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Desairejat amb addició de cloramina<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Oxigen baix (estat alterat) 20-50 ppb Grau 2 2.0 mm 3-5 anys
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb Grau 2 1.65 mm 10+ anys (tot i que l'acer al carboni es corroeix)
El titani de grau 2 no és adequat per als escalfadors de salmorra de dessalinització de MSF a 120 graus amb salmorra desaireada (oxigen<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.