Ha titán merülőfűtőket használ bromidban-dús geotermikus folyadékokban, mekkora a megengedett maximális hőáram a helyi korrózió megjelenése előtt?

A szabványos fém fűtőberendezések sajátos problémával küzdenek a mély kutakból származó geotermikus folyadékok agresszív kémiája miatt. Egyes geotermikus sóoldatokban a bromid koncentrációja eléri az 500–1200 ppm-et is, néhányban klorid (10 000–30 000 ppm), oldott szulfidok és magas hőmérséklet (120–200 fok a kútfejnél) is előfordul. A 2-es vagy 7-es fokozatú titánt gyakran használják általános korrózióállóságra, de a bromidionok különleges veszélyt jelentenek: a passzív oxidréteget agresszívebben támadják meg, mint a klorid magas hőáramlási körülmények között. A maximálisan megengedett hőáram, azaz a csőfelület egységnyi felületére közölt hőteljesítmény dönti el, hogy a fűtőberendezés évekig biztonságosan fog-e működni, vagy hónapokon belül lokális kátyúzás miatt meghibásodik. Amikor a kritikus hőáramot túllépik, a felületi elektrokémia passzívról aktívra változik, és ez gödrök képződéséhez vezet, amelyek gyorsan átszúrják a vastag falú csöveket is.

A bromid{0}}gödörképződés mechanizmusa nagy hőáram mellett

A titánon lévő TiO₂ védőbevonat csak bizonyos elektrokémiai potenciál- és hőmérséklet-tartományban stabil. A merülő fűtőberendezés villamos energiát fecskendez be egy geotermikus sóoldatba, és a cső felületének hőmérséklete a hőárammal arányos deltával (ΔT) meghaladja az ömlesztett folyadék hőmérsékletét, és fordítottan arányos a hőátadási tényezővel. Tipikus turbulens áramlási viszonyok között (h=5,000 W/m2K) 50 kW/m2 hőáram közel 10 fokos ΔT-t eredményez. A bromidionok nagyobbak és kevésbé hidratáltak, mint a kloridionok, ezért magasabb hőmérsékleten erősebben adszorbeálódnak a titán felületeken. Az anyagspecifikus küszöbértéket meghaladó hőáramok esetén a helyi felületi hőmérséklet az elektrokémiai potenciált a transzpasszív régióba tereli, és az oxidfilm meghibásodik. Amint kialakul egy gödör, a nagy áramsűrűség a gödörben helyi savasodást vált ki (a pH 1-nél kisebb is lehet), és a bromidionok titánionokkal egyesülve blokkolják az újrapasszivációt. A geotermikus terepi vizsgálati adatok azt mutatják, hogy a bromid sóoldat alapvető hőárama nagyjából 30–40%-kal alacsonyabb, mint a csak azonos koncentrációjú kloridos sóoldatoknál.

Kvantitatív kapcsolat a bromid koncentrációja, a hőáram és a pitting idő között

A laboratóriumi vizsgálatok elektrokémiai zajmonitoring segítségével konzervatív biztonságos működési keretet állapítottak meg. 800 ppm Br−, 15 000 ppm Cl− és 130 fokos ömlesztett hőmérsékletű szimulált geotermikus sóoldatban lévő 2. fokozatú titán esetében a következő összefüggések a következők:

Hőáram < 25 kW/m²: passzív áramsűrűség < 0,1 µA/cm². 5000 óránál nincs kiütés

25-35 kW/m2: Metastabil pitting előfordul (áramtranziensek 1-10 µA), bár az újrapassziválás általában sikeres. A stabilizált gödrök 0,5 mm-es falvastagságban 1500-2000 óra alatt hatolnak át.

Hőáram 35-45 kW/m 2 : 200-500 óra után kezdődik a stabil kátyúzás. a gödör növekedési sebességének növekedése 0,01 mm/óráról 0,05 mm/órára

Hőáram > 45 kW/m²: A gyors lyukképződés egy 1,2 mm-es csőfal perforációját okozza.<300 hours.

A 7-minőségű titán (palládium 0,12-0,25%) kritikus hőárama körülbelül 30%-kal nő a nemesfémnek az újrapassziválásra gyakorolt ​​katalitikus hatása miatt. A maximális megengedett hőáram hosszú távú működéshez (10 éves élettartammal<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Forgatókönyv{0}}Útmutató a hőáram kiválasztásához

Az alábbi táblázat választási keretet ad a geotermikus sóoldat konkrét összetétele és működési stratégiája alapján.

Geotermikus sóoldat állapota és működési prioritása Javasolt maximális hőáram alapindoklás és csere{0}}megfontolandó
Bromid<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
Bromid 300–800 ppm, szakaszos működés (napi hőciklus) 7. fokozatú titán 30–35 kW/m2 A ciklus segít csökkenteni a halmozott károkat. A 7. fokozat repassziválási határt kínál. A csökkentett fluxus 15-25 százalékkal növeli a fűtőfelület területét.
Bromide >800 ppm, pangó zónák vannak jelen (alacsony -átfolyású tartály fűtése) 7. fokozat vagy 12 20-25. fokozat kW/m2 Konzervatív kialakítás a biztonság érdekében. Hosszabb fűtőtestre vagy egynél több fűtőtestre van szükség. Drágább tőkét igényel.
Bromidban-dús sóoldat hidrogén-szulfiddal (H2S > 50 ppm) Bármilyen titánminőség Legfeljebb 20 kW/m2 A szulfidok versenyeznek az oxidációval. Nagyon minimális fluxus szükséges. Nézzen meg más anyagokat (pl. titán-palládium katódos védelemmel).
Mérnöki tervezés a hőáramon túl

Az áramlási sebességet nem szabad figyelmen kívül hagyni a hőáram értékelésénél. 0,3 m/s alatti sebességek esetén a határréteg vastagsága megemelkedik, 5-8 fokkal növelve a cső felületi hőmérsékletét ugyanazon hőáram mellett. Ez hatékonyan csökkenti a maximálisan megengedett fluxust 15-20%-kal. A reakció a falvastagságtól is függ, mivel a vastagabb falak növelik a gödör terjedési idejét, de nem a beindulási küszöböt. Ezért a bromidban gazdag geotermikus folyadékok esetében jobb alacsonyabb hőáramot használni hagyományos 1,0 mm-es fal mellett, mint a falvastagságot 1,5 mm-re növelni a teljesítménysűrűség befolyásolása nélkül. A sóoldat oxidációs-redukciós potenciáljának (ORP) gyakori monitorozása korai figyelmeztetést ad: az ORP +200 mV alá esése az Ag/AgCl-hez viszonyítva a cső felületén, megelőzi a lyukképződés kialakulását.

Biztosan megadva

A vevőnek meg kell adnia egy hitelesített maximális megengedett hőáramot, amely valódi sóoldat kémián vagy szabványos vizsgálaton (ASTM G78 réskorrózióhoz alkalmazott hőárammal) alapul, amikor titán merülő fűtőtestet választ bromiddal-töltött geotermikus folyadékokhoz, és ellenőriznie kell, hogy ezt a szállító elvégezte-e. 7. osztályú titánt használjon, ha a bromid meghaladja az 500 ppm-et, vagy ha a működési bizonytalanság biztonsági ráhagyást igényel. A fűtőelemsor kialakításának a legtöbb helyzetben 30 kW/m2 alá kell minimalizálnia a felületi hőáramot, hosszabb vagy több fűtőelem használatával, nem pedig nagyobb wattsűrűséggel. Ez a konzervatív módszer a titán fűtőtestet magas kockázatú alkatrészből megbízható eszközzé varázsolja az egyik legnehezebb ipari folyadékkörnyezetben.