Per il riscaldamento sommerso di acqua compressa calda (200 gradi) in un recipiente a pressione, qual è la temperatura massima consentita della parete del tubo prima che si verifichi l'idratazione?

Il riscaldamento sommerso con acqua compressa a 200 gradi C offre una difficoltà particolare per i riscaldatori ad immersione in titanio. A questa temperatura l'acqua è solo liquida ad alta pressione (circa 16 bar). L'ambiente acquatico ad alta temperatura e alta pressione provoca l'instabilità termodinamica del titanio rispetto all'assorbimento dell'idrogeno. L'idrificazione, ad esempio, è controllata dalla diffusione-e procede senza corrosione superficiale o vaiolatura; non si verifica alcun evidente deterioramento superficiale finché l'infragilimento non provoca una brusca frattura. Il parametro di regolazione per l'idratazione è la temperatura della parete del tubo, piuttosto che la temperatura della massa dell'acqua. Il flusso di calore proveniente dall'elemento riscaldante interno riscalda la parete interna del tubo di titanio molto più calda della parete esterna a contatto con l'acqua. Ad un certo livello di questa temperatura della parete interna, il tasso di assorbimento dell'idrogeno diventa eccessivamente elevato e la produzione di idruro avviene in mesi anziché in anni.

Meccanismo di idrurazione ad alta temperatura in acqua compressa

L'acqua si dissocia sulla superficie del titanio oltre 150 gradi: H2O → H+ + OH-. I protoni vengono convertiti in idrogeno atomico, che si diffonde nel reticolo del titanio. La solubilità dell'idrogeno nel titanio cresce notevolmente con la temperatura da 200 ppm a 100 gradi a oltre 1.500 ppm a 200 gradi. Quando la concentrazione locale di idrogeno supera la solubilità solida terminale (TSS), precipita l'idruro di titanio (TiH2). Il volume della fase idruro è superiore del 17% rispetto al titanio circostante provocando tensioni interne che provocano microfessurazioni. Il parametro determinante è la temperatura della parete interna, che può essere di 20-50 gradi superiore a quella della parete esterna, a seconda del flusso di calore e dello spessore della parete. La diffusione è guidata dal gradiente di concentrazione dell'idrogeno creato da una parete interna a 220 gradi e dalla parete esterna a 200 gradi, verso la superficie esterna più fredda dove precipitano preferenzialmente gli idruri.

Relazione quantitativa tra velocità di idratazione e temperatura della parete interna

Test controllati in acqua compressa a 200 gradi (16 bar) su tubi in titanio di grado 2 sotto diversi flussi di calore hanno confermato i seguenti tassi di idrurazione con aumento della concentrazione di idrogeno ogni 1.000 ore:

Temperatura della parete interna<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.

Temperatura della parete interna: 210-230 gradi Tasso di idratazione: 50-100 ppm/1000 ore. Tempo per raggiungere 2.000-4.000 ore TSS (3-6 mesi). Necessita di ispezioni frequenti e di manutenzione marginale.

Temperatura della parete interna da. 230 a 250 gradi C: tasso di idratazione da 200 a 400 ppm/1.000 ore. Tempo per raggiungere il TSS di 500-1.000 ore (3-6 settimane). Piastrine di idruro metallograficamente visibili dopo 500 ore.

Temperatura della parete interna > 250 gradi: tasso di idratazione > 500 ppm/1.000 ore. TSS superato in 200-400 ore. Sono state osservate bruciature e screpolature della superficie. Il fallimento catastrofico è imminente.

Guida al calcolo della temperatura massima consentita della parete interna

La tabella seguente fornisce un approccio realistico per stimare la temperatura massima consentita della parete interna e le relative limitazioni del flusso di calore per una durata di servizio desiderata.

Temperatura massima consentita della parete interna a 200 gradi di acqua Durata di servizio desiderata Flusso di calore massimo simile (OD 20 mm, parete 1,2 mm) Flusso di calore massimo equivalente (OD 25 mm, parete 1,5 mm)
5 anni (43.800 ore) 205 gradi 12 W/cm2 10 W/cm2
2 anni (17.500 ore) 215 gradi 18 W/cm2 15 W/cm2
1 anno (8.760 ore) 225 gradi 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mesi (4.380 ore) 235 gradi 32 W/cm² 28 W/cm²
Solo servizio di emergenza (1 mese) 250 gradi 45 W/cm² 40 W/cm²
Progettazione ingegneristica per prevenire l'idratazione

La temperatura della parete interna viene determinata utilizzando la temperatura dell'acqua, il flusso di calore (q), lo spessore della parete (t) e la conduttività termica del titanio (k=17 W/m·K a 200 gradi): ΔT=(q × t) / k. Per una parete da 1,2 mm a 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 gradi . Acqua sfusa a 200 gradi --muro interno a 214 gradi --oltre il limite di vita di 2 anni. È interessante notare che, diminuendo lo spessore della parete, diminuisce la temperatura della parete interna per lo stesso flusso di calore: . 0.8 mm parete 20 W/cm$^2$ dà $\\Delta T$=9$^o$C, parete interna a 209$^o$C, accettabile per una vita di 5 anni. Pareti più sottili sono quindi migliori per la resistenza all'idratazione, a differenza della consueta filosofia di progettazione per la corrosione. L'impatto catalitico del palladio sulla ricombinazione dell'idrogeno aumenta la temperatura soglia della parete interna del titanio di grado 7 (stabilizzato con palladio) di circa 15-20 gradi.

Una specifica informata

Ad esempio, se viene specificato un riscaldatore in titanio per un servizio di acqua compressa a 200 gradi, calcolare la temperatura della parete interna dal flusso di calore desiderato e dallo spessore della parete proposto. Per qualsiasi applicazione che richieda una durata di servizio superiore a 2 anni, non superare i 210 gradi. Se le esigenze di flusso di calore sono > 25 W/cm2, abbassare lo spessore della parete per ridurre al minimo ΔT o fornire titanio di grado 7. Distribuire il flusso di calore. Utilizzare molti riscaldatori a bassa densità di watt invece di un riscaldatore ad alta densità di watt. Monitorare la resistenza elettrica del riscaldatore in funzione. Un aumento del 10–15% rispetto al valore di base è indicativo di produzione di idruro e infragilimento. Installare una termocoppia sulla parete esterna del tubo e calcolare continuamente la temperatura della parete interna. Se la temperatura calcolata della parete interna supera i 230 gradi C per più di 100 ore cumulative, togliere il riscaldatore dal servizio indipendentemente dallo spessore rimanente della parete. Invece di gestire la temperatura dell'acqua, l'ingegnere controlla la temperatura della parete interna. Ciò impedisce il graduale cedimento dell'infragilimento da idrogeno nei sistemi idrici ad alta temperatura.