För nedsänkt uppvärmning av varmt (200 grader) komprimerat vatten i ett tryckkärl, vad är den högsta tillåtna rörväggstemperaturen innan hydrering inträffar?

200 grader C komprimerat vatten nedsänkt uppvärmning erbjuder en särskild svårighet för doppvärmare i titan. Vid denna temperatur är vattnet endast flytande under högt tryck (cirka 16 bar). Vattenmiljön med hög temperatur och högt tryck orsakar den termodynamiska instabiliteten hos titan med avseende på väteabsorption. Hydriding, till exempel, är diffusions-kontrollerad och avancerar utan ytkorrosion eller gropfrätning; ingen uppenbar ytförsämring inträffar förrän sprödhet orsakar en abrupt fraktur. Rörets väggtemperatur snarare än bulkvattentemperaturen är den reglerande parametern för hydrering. Värmeflödet från det inre värmeelementet värmer titanrörets innervägg mycket varmare än ytterväggen i kontakt med vatten. Vid någon nivå av denna innerväggstemperatur blir väteabsorptionshastigheten överdrivet hög och hydridproduktion sker i månader snarare än år.

Mekanism för högtemperaturhydrering i komprimerat vatten

Vattnet dissocierar vid ytan av titan över 150 grader : H2O → H+ + OH-. Protonerna omvandlas till atomärt väte, som diffunderar in i titangittret. Vätelösligheten i titan växer dramatiskt med temperaturen från 200 ppm vid 100 grader till mer än 1 500 ppm vid 200 grader. När den lokala koncentrationen av väte överstiger den terminala fasta lösligheten (TSS), fälls titanhydrid (TiH2) ut. Volymen av hydridfasen är 17 % högre än det omgivande titanet, vilket orsakar inre spänningar som orsakar mikrosprickbildning. Den styrande parametern är innerväggens temperatur som kan vara 20-50 grader högre än ytterväggen beroende på värmeflöde och väggtjocklek. Diffusion drivs av vätekoncentrationsgradienten som skapas av en innervägg vid 220 grader och den yttre väggen vid 200 grader, till den kallare yttre ytan där hydrider företrädesvis fälls ut.

Kvantitativt samband mellan hydreringshastighet och innerväggstemperatur

Kontrollerad testning i komprimerat vatten vid 200 grader (16 bar) på titanrör av grad 2 under olika värmeflöden har bekräftat följande hydreringshastigheter när vätekoncentrationen ökar per 1 000 timmar:

Innerväggstemperatur<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.

Innerväggstemperatur: 210-230 grader Hyderingshastighet: 50-100 ppm/1000 tim. Tid att nå 2 000-4 000 timmar TSS (3-6 månader). Behöver frekvent inspektion och marginell service.

Innerväggstemperatur. 230 till 250 grader C: Hyderingshastighet 200 till 400 ppm/1 000 tim. Tid att nå TSS på 500-1 000 timmar (3-6 veckor). Hydridplättar metallografiskt synliga efter 500 timmar.

Innerväggstemperatur > 250 grader : Hyderingshastighet > 500 ppm/1 000 timmar. TSS överträffade på 200-400 timmar. Observerad yta vidbränning och sprickbildning. Katastrofala misslyckanden är nära förestående.

Beräkningsguide för maximal tillåten innerväggstemperatur

Tabellen nedan ger ett realistiskt tillvägagångssätt för att uppskatta den maximalt tillåtna innerväggstemperaturen och de medföljande värmeflödesbegränsningarna för en önskad livslängd.

Maximal tillåten innerväggstemperatur vid 200 grader Vatten Önskad livslängdLiknande maximalt värmeflöde (OD 20 mm, vägg 1,2 mm) Motsvarande maximalt värmeflöde (25 mm OD, 1,5 mm vägg)
5 år (43 800 timmar) 205 grader 12 W/cm2 10 W/cm2
2 år (17 500 timmar) 215 grader 18 W/cm2 15 W/cm2
1 år (8 760 timmar) 225 grader 25 W/cm2 22 W/cm2
6 månader (4 380 timmar) 235 grader 32 W/cm² 28 W/cm²
Endast nödtjänst (1 månad) 250 grader 45W/cm² 40W/cm²
Teknisk design för att förhindra hydrering

Innerväggstemperaturen bestäms med hjälp av bulkvattentemperaturen, värmeflödet (q), väggtjockleken (t) och titan värmeledningsförmåga (k=17 W/m·K vid 200 grader ): ΔT=(q × t) / k. För en 1,2 mm vägg vid 20 W/cm2, ΔT=(200 000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 grad . Bulkvatten vid 200 grader --innervägg vid 214 grader -- bortom 2-års livslängd. Intressant nog minskar en minskning av väggtjockleken innerväggstemperaturen för samma värmeflöde. 0.8 mm vägg 20 W/cm$^2$ ger $\\Delta T$=9$^o$C, innervägg vid 209$^o$C, acceptabelt för 5-årig livslängd. Tunnare väggar är därför bättre för hydreringsbeständighet till skillnad från den vanliga designfilosofin för korrosion. Den katalytiska påverkan av palladium på väterekombination höjer tröskeltemperaturen för innerväggstemperaturen för grad 7 titan (palladiumstabiliserat) med cirka 15–20 grader.

En specifikation informerad

Till exempel, om en titanvärmare är specificerad för en 200 graders komprimerad vattentjänst, beräkna innerväggstemperaturen från önskat värmeflöde och föreslagen väggtjocklek. För alla applikationer som behöver en livslängd på mer än 2 år, överstig inte 210 grader. Om värmeflödesbehovet är > 25 W/cm2, antingen lägre väggtjocklek för att minimera ΔT eller ge Grad 7 titan. Sprid ut värmeflödet. Använd många värmare med låg wattdensitet istället för en värmare med hög wattdensitet. Övervaka värmarens elektriska motstånd i drift. En ökning med 10–15 % jämfört med baslinjen tyder på hydridproduktion och försprödning. Installera ett termoelement på utsidan av röret och beräkna kontinuerligt innerväggens temperatur. Om den beräknade innerväggstemperaturen överstiger 230 grader C under mer än 100 ackumulerade timmar, ta värmaren ur drift, oavsett återstående väggtjocklek. Istället för att hantera temperaturen på bulkvattnet kontrollerar ingenjören temperaturen på innerväggen. Detta förhindrar ett gradvis misslyckande av väteförsprödning i högtemperaturvattensystem.