Quan s'utilitzen escalfadors d'immersió de titani en fluids geotèrmics rics en bromur-, quin és el flux de calor màxim permès abans que s'iniciï la corrosió localitzada?

Els escalfadors metàl·lics estàndard pateixen un problema particular de química agressiva dels fluids geotèrmics de pous profunds. Algunes salmorres geotèrmiques tenen concentracions de bromur que arriben fins a 500–1.200 ppm, amb algunes també inclouen clorur (10.000–30.000 ppm), sulfurs dissolts i altes temperatures (120–200 graus al cap del pou). El titani Grau 2 o Grau 7 s'utilitza sovint per a la resistència general a la corrosió, però els ions bromur representen una amenaça especial: ataquen la pel·lícula d'òxid passiu de manera més agressiva que el clorur en circumstàncies de flux de calor elevat. El flux de calor màxim admissible, és a dir, la potència tèrmica comunicada per unitat d'àrea de superfície del tub, decideix si l'escalfador funcionarà de manera segura durant anys o fallarà per picat localitzat en qüestió de mesos. Quan es supera el flux de calor crític, l'electroquímica de la superfície canvia de passiva a activa i això dóna lloc a la formació de fosses que perforaran ràpidament fins i tot els tubs de paret gruixuda-.

Mecanisme de bromur-picadura induïda a alt flux de calor

El recobriment protector de TiO₂ sobre titani només és estable en un determinat potencial electroquímic i rang de temperatura. Un escalfador d'immersió injecta electricitat en una salmorra geotèrmica i la temperatura de la superfície del tub supera la temperatura del fluid a granel en un delta (ΔT) proporcional al flux de calor i inversament proporcional al coeficient de transferència de calor. Per a una condició de flux turbulent típic (h=5,000 W/m2K), un flux de calor de 50 kW/m2 produeix un ΔT de gairebé 10 graus. Els ions bromur són més grans i menys hidratats que els ions clorur i, per tant, s'adsorbeixen amb més força a les superfícies de titani a temperatures elevades. Per als fluxos de calor que superen un valor llindar-específic del material, la temperatura de la superfície local condueix el potencial electroquímic a la regió transpassiva i la pel·lícula d'òxid falla. Una vegada que una fossa forma l'alta densitat de corrent a la fossa provoca l'acidificació local (el pH pot ser inferior a 1) i els ions bromur es combinen amb ions de titani bloquejant la repassivació. Les dades de les proves de camp geotèrmica mostren que el flux de calor essencial per a les salmorres de bromur és aproximadament un 30-40% més baix que per a les salmorres de clor-només a concentracions iguals.

Relació quantitativa entre la concentració de bromur, el flux de calor i el temps de pitting

Les investigacions de laboratori han establert un embolcall de funcionament segur conservador mitjançant la monitorització del soroll electroquímic. Per al titani de grau 2 en una salmorra geotèrmica simulada que conté 800 ppm de Br−, 15.000 ppm de Cl− i una temperatura a granel de 130 graus, les relacions següents són:

Flux de calor < 25 kW/m² : densitat de corrent passiva < 0,1 µA/cm². Sense picadura a les 5.000 hores

25–35 kW/m2: es produeix una picada metaestable (transitoris de corrent d'1–10 µA), tot i que la repassivació sol tenir èxit. Les fosses estabilitzades penetren un gruix de paret de 0,5 mm en 1.500 a 2.000 hores.

Flux de calor 35–45 kW/m 2 : la picada estable comença després de 200–500 h. augment de la taxa de creixement de la fossa de 0,01 mm/h a 0,05 mm/h

Flux de calor > 45 kW/m²: la perforació ràpida provoca la perforació d'una paret de tub d'1,2 mm<300 hours.

El flux de calor crític del titani de grau 7- (pal·ladi 0,12-0,25%) augmenta al voltant d'un 30% a causa de l'impacte catalític del metall noble en la repassivació. El flux de calor màxim permès per a un funcionament a llarg termini (vida de 10 anys amb<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Guia basada en escenaris-per seleccionar el flux de calor

La taula següent ofereix un marc d'elecció basat en la composició específica de la salmorra geotèrmica i l'estratègia operativa.

Condició de la salmorra geotèrmica i prioritat operativa recomanada Flux de calor màxim Justificació i comerç-No es considera
Bromur<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.
Bromur 300–800 ppm, funcionament intermitent (cicle tèrmic diari) Titani grau 7 30–35 kW/m2 El cicle ajuda a disminuir el dany acumulat. El grau 7 ofereix un marge de repassivació. El flux reduït augmenta la superfície de l'escalfador entre un 15 i un 25 per cent.
Bromide >800 ppm, zones estancades presents (escalfament del dipòsit de baix-caudal) Grau 7 o Grau 12 20-25 kW/m2 Disseny conservador per a la seguretat. Necessiteu un escalfador més llarg o més d'un escalfador. Requereix un capital més car.
Salmorra-rica en bromur amb sulfur d'hidrogen (H2S > 50 ppm) Qualsevol grau de titani Menor o igual a 20 kW/m2 Els sulfurs competeixen amb l'oxidació. Es necessita un flux molt mínim. Mireu altres materials (p. ex. titani-pal·ladi amb protecció catòdica).
Enginyeria més enllà del flux de calor

No s'ha de descuidar la velocitat del flux en l'avaluació del flux de calor. Per a velocitats inferiors a 0,3 m/s, el gruix de la capa límit augmenta, augmentant la temperatura de la superfície del tub per al mateix flux de calor entre 5 i 8 graus addicionals. Això redueix efectivament el flux màxim permès en un 15-20%. La reacció també depèn del gruix de la paret, ja que les parets més gruixudes augmenten el període de propagació de la fossa, però no el llindar d'inici. Per tant, per als fluids geotèrmics rics en bromur-és millor utilitzar un flux de calor més baix amb una paret convencional d'1,0 mm que augmentar el gruix de la paret a 1,5 mm sense afectar la densitat de potència. El seguiment freqüent del potencial d'oxidació-reducció de salmorra (ORP) proporciona un avís primerenc: una caiguda de l'ORP per sota de +200 mV en comparació amb Ag/AgCl prop de la superfície del tub precedeix l'inici de la picada.

Especificant amb certesa

El comprador ha d'especificar un flux de calor màxim permès certificat basat en la química de la salmorra real o en proves estàndard (ASTM G78 per a la corrosió en escletxes amb flux de calor aplicat) en seleccionar un escalfador d'immersió de titani per a fluids geotèrmics carregats de bromur-, i comprovar que ho faci el proveïdor. Utilitzeu titani de grau 7 quan el bromur superi les 500 ppm o quan la incertesa operativa requereixi un marge de seguretat. El disseny de la matriu d'escalfadors hauria de minimitzar el flux de calor superficial a menys de 30 kW/m2 per a la majoria de les situacions, utilitzant elements d'escalfament més llargs o nombrosos en lloc d'una densitat de watts més alta. Aquest mètode conservador converteix l'escalfador de titani d'un component d'alt risc a un actiu fiable en un dels entorns de fluids industrials més difícils.