Aká hrúbka steny titánu 2. stupňa zabraňuje poškodeniu vodíkom v ohrievačoch soľanky na odsoľovanie (viac{0}}fázový blesk) pri 120 stupňoch s odvzdušnenou soľankou?

Viacstupňové zábleskové (MSF) ohrievače soľanky fungujú pri teplote 110 – 120 stupňov s odvzdušnenou soľankou (rozpustený kyslík<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.

Mechanizmus poškodenia vodíkom v odvzdušnenej soľanke
V prevzdušňovanej soľanke sa na povrchu titánu redukuje kyslík, čím sa zachováva ušľachtilý potenciál a zabraňuje sa vývoju vodíka. V odvzdušnenej soľanke (kyslík<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.

Rýchlosť absorpcie vodíka je funkciou teploty, chemického zloženia soľanky a stavu titánového povrchu. Absorbuje vodík v soľanke Lekárov bez hraníc pri 120 stupňoch (70 000-80 000 ppm Cl-, odvzdušnený) 0,05-0,15 ppm/h Stupeň 2

Čas do kritickej koncentrácie vodíka
Počnúc počiatočnou hladinou vodíka 30-50 ppm (žíhaný stupeň 2) je trvanie dosiahnutia kritického prahu 150 ppm: potrebná absorpcia=100-120 ppm. Za predpokladu strednej miery absorpcie 0,10 ppm/hodinu, čas=100 / 0.10=1 000 hodín. Pri 0,15 ppm za hodinu, čas=100/0.15=667 hodiny.

Takéto krátke časové rámce (1-2 mesiace) ukazujú, že stupeň 2 by v odvzdušnenej soľanke pri 120 stupňoch rýchlo skrehol. V praxi však ohrievače soľanky MSF používajú odvzdušnenú soľanku so zvyškovým kyslíkom (10-20 ppb) a často pracujú pri mierne oxidačných podmienkach na povrchu titánu v dôsledku chlóramínu alebo iných prísad. V skutočných zariadeniach sú rýchlosti absorpcie nižšie, 0,01 – 0,05 ppm za hodinu, takže dosiahnutie kritickej koncentrácie trvá 2 000 – 10 000 hodín (3 – 12 mesiacov). Toto je stále príliš pomalé na dlhodobú službu.

Hrúbka steny zmiernenia
Žiadna hrúbka steny nie je prekážkou pre absorpciu vodíka. Vodík difunduje do titánu nezávisle od hrúbky steny. Hrubšie steny poskytujú viac materiálu, ktorý odoláva hydridovému praskaniu pred perforáciou. Akonáhle sa vytvorí hydrid, trhliny prechádzajú cez stenu. Čím je stena hrubšia, tým dlhšie má praskať.

Pre stupeň 2 v odvzdušnenej soľanke pri 120 stupňoch je spojenie medzi hrúbkou steny a časom do perforácie v dôsledku poškodenia vodíkom (po začatí absorpcie) primerane lineárne:

Hrúbka steny (mm) Čas do vzniku trhlín hydratácie (mesiace) Čas od iniciácie po perforáciu (mesiace Celková životnosť (mesiace)
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
Žiadna hrúbka steny nezabezpečí životnosť 10 rokov, pretože absorpcia vodíka nie je zastavená. Praskanie začne v priebehu niekoľkých mesiacov, bez ohľadu na to, akú hrúbku použijete. Hrubšie steny oddialia prepichnutie, ale nezabránia poruche.

Ďalšie možnosti
Zvýšená hrúbka steny neposkytuje dlhodobú životnosť, preto sú potrebné ďalšie kroky:

Kyslík, zvyškový: Rozpustený kyslík by mal byť vyšší ako 50 ppb (menej ako 200 ppb, aby sa obmedzila korózia uhlíkovej ocele). Pri katódovej reakcii dochádza k redukcii kyslíka. To potláča vývoj vodíka.

Použite chlóramín alebo iné oxidanty: Pridajte 0,5-2 ppm chloramínu do soľanky, aby pôsobil ako katódové oxidant.

Upgrade na stupeň 7: Paládium (0,12-0,25%) katalyzuje redukciu kyslíka aj pri veľmi nízkych koncentráciách kyslíka a potláča absorpciu vodíka. Stupeň 7 v odvzdušnenej soľanke pri 120 stupňoch absorbuje vodík<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Obrátenie katódovej ochrany: Pripevnite titán na ušľachtilejší kov (platina alebo zlato), aby ste posunuli potenciál do rozsahu zníženia kyslíka. Nie je praktické pre ohrievače MSF.

Aplikačná matica ohrievačov soľanky MSF
Stav soľanky Rozpustený kyslík (ppb) Odporúčaná hrúbka steny titánovej triedy Očakávaná životnosť
Odvzdušnený (typický Lekári bez hraníc)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Odvzdušnené pridaním chlóramínu<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Nízky obsah kyslíka (rozrušený stav) 20-50 ppb Stupeň 2 2.0 mm 3-5 rokov
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb trieda 2 1.65 mm 10+ rokov (hoci uhlíková oceľ koroduje)
Titán 2. stupňa nie je vhodný pre ohrievače soľanky na odsoľovanie MSF pri 120 stupňoch s odvzdušnenou soľankou (kyslík<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.