สำหรับการทำความร้อนใต้น้ำของน้ำอัดร้อน (200 องศา) ในภาชนะรับแรงดัน อุณหภูมิผนังท่อสูงสุดที่อนุญาตก่อนที่จะเกิดไฮโดรไรด์คือเท่าใด

การทำความร้อนใต้น้ำแบบบีบอัดที่อุณหภูมิ 200 องศา C ทำให้เกิดปัญหาโดยเฉพาะสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบแช่ไทเทเนียม ที่อุณหภูมินี้น้ำจะเป็นเพียงของเหลวภายใต้แรงดันสูง (ประมาณ 16 บาร์) สภาพแวดล้อมที่มีน้ำแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงทำให้เกิดความไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ของไทเทเนียมในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น ไฮดไรด์ได้รับการควบคุมการแพร่กระจาย-และก้าวหน้าโดยไม่มีการกัดกร่อนหรือเป็นรูพรุนที่พื้นผิว ไม่มีการเสื่อมสภาพของพื้นผิวที่เห็นได้ชัดจนกระทั่งการเปราะทำให้เกิดการแตกหักอย่างกะทันหัน อุณหภูมิผนังท่อมากกว่าอุณหภูมิของน้ำปริมาณมากเป็นพารามิเตอร์ควบคุมสำหรับไฮไดรด์ ฟลักซ์ความร้อนจากองค์ประกอบความร้อนภายในจะทำให้ผนังด้านในของท่อไทเทเนียมร้อนกว่าผนังด้านนอกเมื่อสัมผัสกับน้ำมาก ที่อุณหภูมิผนังด้านในในระดับหนึ่ง อัตราการดูดซึมไฮโดรเจนจะสูงเกินไป และการผลิตไฮไดรด์จะเกิดขึ้นเป็นเดือนแทนที่จะเป็นปี

กลไกการให้น้ำที่อุณหภูมิสูงในน้ำอัด

น้ำแยกออกจากกันที่พื้นผิวไทเทเนียมมากกว่า 150 องศา : H2O → H+ + OH- โปรตอนจะถูกแปลงเป็นอะตอมไฮโดรเจน ซึ่งจะกระจายไปในโครงตาข่ายไทเทเนียม ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในไทเทเนียมเพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยอุณหภูมิจาก 200 ppm ที่ 100 องศาเป็นมากกว่า 1,500 ppm ที่ 200 องศา เมื่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนเฉพาะที่เกินความสามารถในการละลายของของแข็งที่ปลายขั้ว (TSS) ไทเทเนียมไฮไดรด์ (TiH2) จะตกตะกอน ปริมาตรของเฟสไฮไดรด์สูงกว่าไททาเนียมโดยรอบ 17% ทำให้เกิดความตึงเครียดภายในซึ่งทำให้เกิดการแตกร้าวขนาดเล็ก พารามิเตอร์ที่ใช้ควบคุมคืออุณหภูมิของผนังด้านในซึ่งอาจสูงกว่าผนังด้านนอกได้ 20-50 องศา ขึ้นอยู่กับฟลักซ์ความร้อนและความหนาของผนัง การแพร่กระจายถูกขับเคลื่อนโดยการไล่ระดับความเข้มข้นของไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นโดยผนังด้านในที่ 220 องศาและผนังด้านนอกที่ 200 องศา ไปยังพื้นผิวด้านนอกที่เย็นกว่าซึ่งไฮไดรด์จะตกตะกอนเป็นพิเศษ

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างอัตราการไฮไดรด์กับอุณหภูมิผนังด้านใน

การทดสอบที่มีการควบคุมในน้ำอัดที่อุณหภูมิ 200 องศา (16 บาร์) บนท่อไทเทเนียมเกรด 2 ภายใต้ฟลักซ์ความร้อนที่แตกต่างกัน ได้ยืนยันอัตราการไฮไดรด์ต่อไปนี้เมื่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นต่อ 1,000 ชั่วโมง:

อุณหภูมิผนังด้านใน<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.

อุณหภูมิผนังด้านใน 210-230 องศา อัตราการดูดความชื้น 50-100 ppm/1000 ชม. ใช้เวลาในการเข้าถึง 2,000-4,000 ชั่วโมง TSS (3-6 เดือน) ต้องการการตรวจสอบบ่อยครั้งและการบริการส่วนเพิ่ม

อุณหภูมิผนังด้านใน. 230 ถึง 250 องศาเซลเซียส: อัตราการเติมน้ำ 200 ถึง 400 ppm/1,000 ชม. ใช้เวลาในการเข้าถึง TSS 500-1,000 ชั่วโมง (3-6 สัปดาห์) เกล็ดเลือดไฮไดรด์มองเห็นได้ชัดเจนหลังจากผ่านไป 500 ชั่วโมง

อุณหภูมิผนังด้านใน > 250 องศา : อัตราการดูดความชื้น > 500 ppm/1,000 ชั่วโมง TSS แซงหน้าใน 200-400 ชั่วโมง สังเกตการไหม้และการแตกร้าวของพื้นผิว ความล้มเหลวร้ายแรงกำลังใกล้เข้ามา

คู่มือการคำนวณอุณหภูมิผนังด้านในสูงสุดที่อนุญาต

ตารางด้านล่างนี้ให้แนวทางที่สมจริงในการประมาณอุณหภูมิผนังด้านในสูงสุดที่อนุญาตและข้อจำกัดด้านฟลักซ์ความร้อนที่ให้มาสำหรับอายุการใช้งานที่ต้องการ

อุณหภูมิผนังด้านในสูงสุดที่อนุญาตที่ 200 องศา อายุการใช้งานน้ำที่ต้องการ ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดที่คล้ายกัน (OD 20 มม. ผนัง 1.2 มม.) ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดเทียบเท่า (OD 25 มม. ผนัง 1.5 มม.)
5 ปี (43,800 ชั่วโมง) 205 องศา 12 วัตต์/ซม.2 10 W/ซม.2
2 ปี (17,500 ชั่วโมง) 215 องศา 18 วัตต์/ซม.2 15 W/ซม.2
1 ปี (8,760 ชั่วโมง) 225 องศา 25 วัตต์/ซม.2 22 W/ซม.2
6 เดือน (4,380 ชั่วโมง) 235 องศา 32 วัตต์/ซม.² 28 วัตต์/ซม.²
บริการฉุกเฉินเท่านั้น (1 เดือน) 250 องศา 45 วัตต์/ซม.² 40 วัตต์/ซม.²
การออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อป้องกันการเกิดไฮดรายด์

อุณหภูมิผนังด้านในกำหนดโดยใช้อุณหภูมิของน้ำปริมาณมาก การไหลของความร้อน (q) ความหนาของผนัง (t) และค่าการนำความร้อนของไทเทเนียม (k=17 W/m·K ที่ 200 องศา ): ΔT=(q × t) / k สำหรับผนัง 1.2 มม. ที่ 20 W/cm2, ΔT=(200,000 W/m2 × 0.0012 ม.) / 17 W/m·K=14 องศา ปริมาณน้ำที่ 200 องศา --ผนังด้านในที่ 214 องศา --เกินขีดจำกัดชีวิต 2 ปี สิ่งที่น่าสนใจคือ การลดความหนาของผนังจะลดอุณหภูมิผนังด้านในสำหรับฟลักซ์ความร้อนเท่ากัน. 0.8 มม. ผนัง 20 W/cm$^2$ ให้ $\\Delta T$=9$^o$C ผนังด้านในที่ 209$^o$C ซึ่งยอมรับได้สำหรับอายุการใช้งาน 5 ปี ผนังที่บางกว่าจึงดีกว่าสำหรับความต้านทานต่อน้ำ ซึ่งแตกต่างจากปรัชญาการออกแบบทั่วไปสำหรับการกัดกร่อน ผลกระทบของตัวเร่งปฏิกิริยาของแพลเลเดียมต่อการรวมตัวกันของไฮโดรเจนจะทำให้อุณหภูมิผนังด้านในของไทเทเนียมเกรด 7 (แพลเลเดียมเสถียร) เพิ่มขึ้นประมาณ 15–20 องศา

มีข้อกำหนดแจ้งไว้

ตัวอย่างเช่น หากระบุเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับบริการน้ำอัด 200 องศา ให้คำนวณอุณหภูมิผนังด้านในจากฟลักซ์ความร้อนที่ต้องการและความหนาของผนังที่เสนอ สำหรับการใช้งานใดๆ ที่ต้องการอายุการใช้งานเกิน 2 ปี จะต้องไม่เกิน 210 องศา หากความต้องการฟลักซ์ความร้อน > 25 W/cm2 ให้ลดความหนาของผนังลงเพื่อลด ΔT หรือจัดหาไทเทเนียมเกรด 7 กระจายกระแสความร้อนออกไป ใช้เครื่องทำความร้อนความหนาแน่นวัตต์ต่ำหลายเครื่องแทนเครื่องทำความร้อนความหนาแน่นสูงเครื่องเดียว ตรวจสอบความต้านทานไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อนในการทำงาน การเพิ่มขึ้น 10–15% จากค่าพื้นฐานบ่งชี้ถึงการผลิตไฮไดรด์และการเปราะ ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลที่ผนังด้านนอกของท่อและคำนวณอุณหภูมิผนังด้านในอย่างต่อเนื่อง หากอุณหภูมิผนังด้านในที่คำนวณได้เกิน 230 องศา C เป็นเวลานานกว่า 100 ชั่วโมงสะสม ให้ถอดเครื่องทำความร้อนออกจากการใช้งาน โดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนังที่เหลืออยู่ แทนที่จะจัดการอุณหภูมิของน้ำปริมาณมาก วิศวกรจะควบคุมอุณหภูมิของผนังด้านใน ซึ่งจะช่วยป้องกันความล้มเหลวทีละน้อยของการแตกตัวของไฮโดรเจนในระบบน้ำที่มีอุณหภูมิสูง