Đối với hệ thống sưởi chìm nước nóng (200 độ) nén trong bình chịu áp lực, nhiệt độ thành ống tối đa cho phép trước khi xảy ra hiện tượng hydrat hóa là bao nhiêu?

Gia nhiệt chìm trong nước nén 200 độ C gây khó khăn đặc biệt cho máy sưởi ngâm titan. Ở nhiệt độ này nước chỉ ở dạng lỏng dưới áp suất cao (khoảng 16 bar). Môi trường nước có nhiệt độ cao, áp suất cao gây ra sự mất ổn định nhiệt động của titan liên quan đến khả năng hấp thụ hydro. Ví dụ: hydrat hóa được kiểm soát-khuếch tán và tiến bộ mà không bị ăn mòn hoặc rỗ bề mặt; không có sự suy giảm bề mặt rõ ràng nào xảy ra cho đến khi sự giòn gây ra gãy xương đột ngột. Nhiệt độ thành ống chứ không phải nhiệt độ nước lớn là thông số điều chỉnh cho quá trình hydrat hóa. Dòng nhiệt từ bộ phận làm nóng bên trong làm nóng thành trong của ống titan nóng hơn nhiều so với thành ngoài tiếp xúc với nước. Ở một mức nhiệt độ nào đó của thành trong này, tốc độ hấp thụ hydro trở nên quá cao và quá trình sản xuất hydrua xảy ra trong nhiều tháng thay vì nhiều năm.

Cơ chế hydrat hóa nhiệt độ cao trong nước nén

Nước phân ly ở bề mặt titan trên 150 độ : H2O → H+ + OH-. Các proton được chuyển đổi thành hydro nguyên tử, khuếch tán vào mạng titan. Độ hòa tan hydro trong titan tăng mạnh theo nhiệt độ từ 200 ppm ở 100 độ đến hơn 1.500 ppm ở 200 độ. Khi nồng độ cục bộ của hydro vượt quá độ hòa tan rắn cuối cùng (TSS), titan hydrua (TiH2) sẽ kết tủa. Thể tích của pha hydrua cao hơn 17% so với titan xung quanh gây ra sức căng bên trong gây ra các vết nứt vi mô. Thông số điều chỉnh là nhiệt độ của tường trong, có thể cao hơn tường ngoài 20-50 độ, tùy thuộc vào dòng nhiệt và độ dày của tường. Sự khuếch tán được thúc đẩy bởi gradient nồng độ hydro được tạo ra bởi thành trong ở góc 220 độ và thành ngoài ở góc 200 độ, đến bề mặt bên ngoài mát hơn, nơi ưu tiên kết tủa hydrua.

Mối quan hệ định lượng giữa tốc độ hydrat hóa và nhiệt độ thành trong

Thử nghiệm có kiểm soát trong nước nén ở 200 độ (16 bar) trên ống titan Cấp 2 dưới các dòng nhiệt khác nhau đã xác nhận tốc độ hydrat hóa sau đây khi nồng độ hydro tăng lên trong 1.000 giờ:

Nhiệt độ tường bên trong<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.

Nhiệt độ thành trong: 210-230 độ Tốc độ hydrat hóa: 50-100 ppm/1000 giờ. Thời gian đạt 2.000-4.000 giờ TSS (3-6 tháng). Cần kiểm tra thường xuyên và dịch vụ cận biên.

Nhiệt độ thành trong. 230 đến 250 độ C: Tốc độ hydrat hóa 200 đến 400 ppm/1.000 giờ. Thời gian đạt TSS 500-1.000 giờ (3-6 tuần). Các tiểu cầu hydrua có thể nhìn thấy được bằng kim loại sau 500 giờ.

Nhiệt độ thành trong > 250 độ : Tốc độ hydrat hóa > 500 ppm/1.000 giờ. TSS đã vượt qua trong 200-400 giờ. Bề mặt được quan sát thấy có hiện tượng cháy xém và nứt. Thất bại thảm khốc sắp xảy ra.

Hướng dẫn tính toán nhiệt độ tối đa cho phép của tường bên trong

Bảng dưới đây đưa ra cách tiếp cận thực tế để ước tính nhiệt độ tối đa cho phép của thành bên trong và các hạn chế về dòng nhiệt đi kèm để có tuổi thọ sử dụng mong muốn.

Nhiệt độ tối đa cho phép của thành trong ở 200 độ Nước Tuổi thọ sử dụng mong muốn Thông lượng nhiệt tối đa tương tự (OD 20 mm, tường 1,2 mm) Thông lượng nhiệt tối đa tương đương (25 mm OD, Tường 1,5 mm)
5 năm (43.800 giờ) 205 độ 12 W/cm2 10 W/cm2
2 năm (17.500 giờ) 215 độ 18 W/cm2 15 W/cm2
1 năm (8.760 giờ) 225 độ 25 W/cm2 22 W/cm2
6 tháng (4.380 giờ) 235 độ 32 W/cm2 28 W/cm2
Chỉ dịch vụ khẩn cấp (1 tháng) 250 độ 45W/cm2 40W/cm2
Thiết kế kỹ thuật để ngăn ngừa hiện tượng hydrat hóa

Nhiệt độ thành trong được xác định bằng cách sử dụng nhiệt độ nước khối, lưu lượng nhiệt (q), độ dày thành (t) và độ dẫn nhiệt titan (k=17 W/m·K ở 200 độ ): ΔT=(q × t) / k. Đối với bức tường 1,2 mm ở 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 độ . Nước lớn ở 200 độ --tường bên trong ở 214 độ --vượt quá giới hạn tuổi thọ 2 năm. Điều thú vị là, việc giảm độ dày thành sẽ làm giảm nhiệt độ thành trong đối với cùng một dòng nhiệt. 0.8 mm thành 20 W/cm$^2$ mang lại $\\Delta T$=9$^o$C, thành trong ở 209$^o$C, có thể chấp nhận được với tuổi thọ 5 năm. Do đó, các bức tường mỏng hơn sẽ có khả năng chống hydrat hóa tốt hơn, không giống như triết lý thiết kế thông thường về ăn mòn. Tác động xúc tác của paladi đối với quá trình tái hợp hydro làm tăng ngưỡng nhiệt độ thành trong của titan cấp 7 (được ổn định bằng palladium) lên khoảng 15–20 độ.

Một thông số kỹ thuật được thông báo

Ví dụ: nếu máy sưởi titan được chỉ định cho dịch vụ nước nén 200 độ, hãy tính nhiệt độ thành bên trong từ dòng nhiệt mong muốn và độ dày thành đề xuất. Đối với bất kỳ ứng dụng nào cần tuổi thọ vượt quá 2 năm không vượt quá 210 độ. Nếu nhu cầu thông lượng nhiệt > 25 W/cm2, hãy giảm độ dày thành để giảm thiểu ΔT hoặc cung cấp titan Loại 7. Phân tán dòng nhiệt. Sử dụng nhiều máy sưởi mật độ watt thấp thay vì một máy sưởi mật độ watt cao. Theo dõi điện trở của lò sưởi khi hoạt động. Mức tăng 10–15% so với mức cơ bản là biểu hiện của việc sản xuất hydrua và độ giòn. Lắp cặp nhiệt điện vào thành ngoài của ống và liên tục tính toán nhiệt độ thành trong. Nếu nhiệt độ thành bên trong được tính toán vượt quá 230 độ C trong hơn 100 giờ tích lũy, hãy ngừng sử dụng thiết bị sưởi bất kể độ dày thành còn lại. Thay vì quản lý nhiệt độ của khối nước lớn, kỹ sư sẽ kiểm soát nhiệt độ của bức tường bên trong. Điều này ngăn ngừa sự hư hỏng dần dần của hiện tượng giòn hydro trong hệ thống nước nhiệt độ cao.