Какая толщина стенок титана марки 2 предотвращает повреждение водородом в нагревателях для опреснения рассола (много-ступенчатое испарение) при температуре 120 градусов с деаэрированным рассолом?

Многоступенчатые-нагреватели рассола для опреснения морской воды (MSF) работают при температуре 110–120 градусов с деаэрированным рассолом (растворенным кислородом).<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.

Механизм повреждения водородом деаэрированного рассола.
В аэрированном рассоле кислород снижается на поверхности титана, сохраняя потенциал благородных металлов и предотвращая выделение водорода. В деаэрированном рассоле (кислород<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.

Скорость поглощения водорода зависит от температуры, химического состава рассола и состояния поверхности титана. Поглощает водород в рассоле MSF при температуре 120 градусов (70 000-80 000 частей на миллион Cl-, деаэрированный) 0,05–0,15 частей на миллион/час Класс 2

Время достижения критической концентрации водорода
Начиная с начального уровня водорода 30-50 ppm (отжиг класса 2), продолжительность достижения критического порога в 150 ppm составляет: необходимое поглощение=100-120 ppm. Предполагая среднюю скорость поглощения 0,10 частей на миллион в час, время=100 / 0.10=1000 часов. При 0,15 частей на миллион в час время=100/0.15=667 часов.

Столь короткие сроки (1-2 месяца) показывают, что класс 2 быстро становится хрупким в деаэрированном рассоле при температуре 120 градусов. Однако на практике соляные нагреватели MSF используют деаэрированный рассол с остаточным кислородом (10-20 частей на миллиард) и часто работают в слегка окислительных условиях на поверхности титана из-за хлорамина или других добавок. В реальных установках скорость поглощения ниже и составляет 0,01-0,05 частей на миллион в час, поэтому для достижения критической концентрации требуется 2000-10 000 часов (3-12 месяцев). Это все еще слишком медленно для долгосрочного обслуживания.

Толщина стенки смягчения
Никакая толщина стенок не является препятствием для поглощения водорода. Водород диффундирует в титан независимо от толщины стенки. Более толстые стенки обеспечивают больше материала, чтобы противостоять гидридному растрескиванию перед перфорацией. После образования гидрида трещины проходят через стену. Чем толще стена, тем дольше она будет трескаться.

Для класса 2 в де-рассоле при температуре 120 градусов связь между толщиной стенки и временем перфорации из-за повреждения водородом (после начала абсорбции) достаточно линейна:

Толщина стенки (мм) Время до возникновения гидридной трещины (месяцы) Время от зарождения до перфорации (месяцы) Общий срок службы (месяцы)
0,9 мм 3-6 1-2 4-8 1.2 мм 3-6 2-3 5-9 1.65 мм 3-6 3-5 6-11 2.0 мм 3-6 4-6 7-12
2,5 мм 3-6 5-8 8-14
Никакая толщина стенок не обеспечит 10-летний срок службы, поскольку поглощение водорода не прекращается. Трещина начнется через несколько месяцев, независимо от того, какая толщина используется. Более толстые стенки задерживают прокол, но не предотвращают разрушение.

Другие варианты
Увеличенная толщина стенок не обеспечивает длительный срок службы, поэтому необходимы другие меры:

Остаточный кислород: содержание растворенного кислорода должно превышать 50 частей на миллиард (менее 200 частей на миллиард для ограничения коррозии углеродистой стали). При этом происходит катодная реакция восстановления кислорода. Это подавляет выделение водорода.

Используйте хлорамин или другие окислители: добавьте в рассол 0,5–2 ppm хлорамина, который будет действовать как катодный окислитель.

Повышение до 7-го класса: Палладий (0,12-0,25%) катализирует восстановление кислорода даже при очень низких концентрациях кислорода и подавляет поглощение водорода. 7 класс в деаэрированном рассоле при 120 градусах поглощает водород.<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Изменение катодной защиты: присоедините титан к более благородному металлу (платине или золоту), чтобы сместить потенциал в область восстановления кислорода. Непрактично для обогревателей MSF.

Таблица применения нагревателей рассола MSF
Состояние рассола Растворенный кислород (части на миллиард) Рекомендуемая марка титана Толщина стенки Ожидаемый срок службы
Деаэрированный (типичный MSF)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Деаэрировано с добавлением хлорамина.<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Низкий уровень кислорода (состояние расстройства) 20–50 частей на миллиард Степень 2 2.0 мм 3–5 лет
Aerated (maintenance bypass) >200 частей на миллиард Марка 2 1.65 мм 10+ лет (хотя углеродистая сталь корродирует)
Титан класса 2 не подходит для нагревателей рассола MSF при температуре 120 градусов с деаэрированным рассолом (кислород<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.