Untuk Pemanasan Terendam Air Panas (200 derajat) Terkompresi dalam Bejana Bertekanan, Berapa Suhu Dinding Tabung Maksimum yang Diijinkan Sebelum Terjadi Hidriding?

200℃ C compressed water submerged heating offers a particular difficulty for titanium immersion heaters. At this temperature water is only liquid under high pressure (around 16 bar). The high temperature, high pressure water environment causes the thermodynamic instability of titanium with respect to hydrogen absorption. Hydriding, for example, is diffusion-controlled and advances without surface corrosion or pitting; no evident surface deterioration occurs until embrittlement causes an abrupt fracture. The tube wall temperature rather than the bulk water temperature is the regulating parameter for hydriding. The heat flux from the internal heating element heats the inner wall of the titanium tube much hotter than the outside wall in contact with water. At some level of this inner wall temperature the rate of hydrogen absorption becomes excessively high and hydride production occurs in months rather than years.

Mekanisme hidrasi suhu tinggi dalam air bertekanan

Air terdisosiasi pada permukaan titanium lebih dari 150 derajat : H2O → H+ + OH-. Proton diubah menjadi atom hidrogen, yang berdifusi ke dalam kisi titanium. Kelarutan hidrogen dalam titanium meningkat secara dramatis pada suhu dari 200 ppm pada 100 derajat menjadi lebih dari 1.500 ppm pada 200 derajat. Ketika konsentrasi hidrogen lokal melampaui kelarutan padat terminal (TSS), titanium hidrida (TiH2) mengendap. Volume fase hidrida 17% lebih tinggi dibandingkan titanium di sekitarnya menyebabkan ketegangan internal yang menyebabkan retakan mikro. Parameter yang mengaturnya adalah suhu dinding bagian dalam, yang bisa 20-50 derajat lebih tinggi dari dinding luar, tergantung pada fluks panas dan ketebalan dinding. Difusi didorong oleh gradien konsentrasi hidrogen yang diciptakan oleh dinding bagian dalam pada suhu 220 derajat dan dinding bagian luar pada suhu 200 derajat, ke permukaan luar yang lebih dingin di mana hidrida lebih disukai mengendap.

Hubungan Kuantitatif antara Laju Hidriding dan Suhu Dinding Bagian Dalam

Pengujian terkontrol dalam air bertekanan pada suhu 200 derajat (16 bar) pada tabung titanium Kelas 2 di bawah fluks panas yang berbeda telah memastikan laju hidrasi berikut seiring dengan peningkatan konsentrasi hidrogen per 1.000 jam:

Suhu dinding bagian dalam<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.

Suhu dinding bagian dalam: 210-230 derajat Laju hidrasi: 50-100 ppm/1000 jam. Waktu mencapai 2.000-4.000 jam TSS (3-6 bulan). Membutuhkan inspeksi yang sering dan layanan marginal.

Suhu dinding bagian dalam. 230 hingga 250 derajat C: Laju hidrasi 200 hingga 400 ppm/1.000 jam. Waktu untuk mencapai TSS 500-1.000 jam (3-6 minggu). Trombosit hidrida secara metalografi terlihat setelah 500 jam.

Suhu dinding bagian dalam > 250 derajat : Laju hidrasi > 500 ppm/1.000 jam. TSS terlampaui dalam 200-400 jam. Permukaan yang terlihat hangus dan retak. Kegagalan besar sudah dekat.

Panduan Perhitungan Suhu Dinding Bagian Dalam Maksimum yang Diijinkan

Tabel di bawah ini memberikan pendekatan realistis untuk memperkirakan suhu maksimum dinding bagian dalam yang diizinkan dan pembatasan fluks panas yang menyertainya untuk masa pakai yang diinginkan.

Suhu Dinding Bagian Dalam Maksimum yang Diijinkan pada 200 derajat Air Masa Pakai yang Diinginkan Fluks Panas Maksimum Serupa (OD 20 mm, dinding 1,2 mm) Fluks Panas Maksimum Setara (OD 25 mm, Dinding 1,5 mm)
5 tahun (43.800 jam) 205 derajat 12 W/cm2 10 W/cm2
2 tahun (17.500 jam) 215 derajat 18 W/cm2 15 W/cm2
1 tahun (8.760 jam) 225 derajat 25 W/cm2 22 W/cm2
6 bulan (4.380 jam) 235 derajat 32 W/cm² 28 W/cm²
Hanya layanan darurat (1 bulan) 250 derajat 45W/cm² 40W/cm²
Desain Rekayasa untuk Mencegah Hidriding

Suhu dinding bagian dalam ditentukan menggunakan suhu air curah, aliran panas (q), ketebalan dinding (t) dan konduktivitas termal titanium (k=17 W/m·K pada 200 derajat ): ΔT=(q × t) / k. Untuk dinding 1,2 mm pada 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 derajat . Air curah pada suhu 200 derajat --dinding bagian dalam pada suhu 214 derajat --melampaui batas umur 2 tahun. Menariknya, penurunan ketebalan dinding akan menurunkan suhu dinding bagian dalam untuk fluks panas yang sama. 0.8 mm dinding 20 W/cm$^2$ menghasilkan $\\Delta T$=9$^o$C, dinding bagian dalam pada 209$^o$C, dapat diterima untuk masa pakai 5 tahun. Oleh karena itu, dinding yang lebih tipis lebih baik dalam ketahanan hidrasi, tidak seperti filosofi desain umum untuk korosi. Dampak katalitik paladium pada rekombinasi hidrogen meningkatkan ambang batas suhu dinding bagian dalam titanium kelas 7 (yang distabilkan paladium) sekitar 15–20 derajat.

Spesifikasi diinformasikan

Misalnya, jika pemanas titanium ditentukan untuk layanan air bertekanan 200 derajat, hitung suhu dinding bagian dalam dari fluks panas yang diinginkan dan ketebalan dinding yang diusulkan. Untuk aplikasi apa pun yang memerlukan masa pakai lebih dari 2 tahun, jangan melebihi 210 derajat. Jika kebutuhan fluks panas > 25 W/cm2, turunkan ketebalan dinding untuk meminimalkan ΔT atau sediakan titanium Kelas 7. Sebarkan aliran panas. Gunakan banyak pemanas dengan kepadatan watt rendah daripada satu pemanas dengan kepadatan watt tinggi. Pantau hambatan listrik pemanas yang sedang beroperasi. Kenaikan 10–15% dari nilai dasar menunjukkan produksi hidrida dan penggetasan. Pasang termokopel pada dinding luar tabung dan terus hitung suhu dinding bagian dalam. Jika suhu dinding bagian dalam yang dihitung melampaui 230 derajat C selama lebih dari 100 jam kumulatif, matikan pemanas dari layanan terlepas dari ketebalan dinding yang tersisa. Alih-alih mengatur suhu air curah, insinyur mengontrol suhu dinding bagian dalam. Hal ini mencegah kegagalan bertahap penggetasan hidrogen dalam sistem air bersuhu tinggi.