Dalam Pemanas Air Garam Desalinasi (Flash Multi-Tahap) pada suhu 120 derajat dengan Air Garam Deaerasi, Berapa Ketebalan Dinding Titanium Tingkat 2 yang Mencegah Kerusakan Hidrogen?

Pemanas air garam desalinasi multi-stage flash (MSF) beroperasi pada suhu 110-120 derajat dengan air garam deaerasi (oksigen terlarut<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.

Mekanisme kerusakan hidrogen dalam air garam deaerasi
Dalam air garam aerasi, oksigen direduksi pada permukaan titanium, menjaga potensi mulia dan mencegah evolusi hidrogen. Dalam air garam deaerasi (oksigen<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.

Laju penyerapan hidrogen merupakan fungsi suhu, kimia air garam, dan keadaan permukaan titanium. Menyerap hidrogen dalam air garam MSF pada suhu 120 derajat (70.000-80.000 ppm Cl-, deaerasi) 0,05-0,15 ppm/jam Kelas 2

Saatnya Konsentrasi Hidrogen Kritis
Dimulai dari kadar hidrogen awal 30-50 ppm (annealed Grade 2) durasi untuk mencapai ambang batas kritis 150 ppm adalah: diperlukan serapan=100-120 ppm. Dengan asumsi tingkat penyerapan kisaran menengah 0,10 ppm/jam, waktu=100 / 0.10=1,000 jam. Pada 0,15 ppm per jam, waktu=100/0.15=667 jam.

Jangka waktu yang singkat (1-2 bulan) menunjukkan bahwa Kelas 2 akan cepat rapuh dalam air garam yang mengalami deaerasi pada suhu 120 derajat. Namun, dalam praktiknya pemanas air garam MSF menggunakan air garam yang mengalami deaerasi dengan sisa oksigen (10-20 ppb) dan sering beroperasi pada kondisi sedikit oksidasi pada permukaan titanium karena kloramin atau bahan tambahan lainnya. Pada tumbuhan nyata laju penyerapannya lebih rendah, yaitu 0,01-0,05 ppm per jam, sehingga diperlukan waktu 2.000-10.000 jam (3-12 bulan) untuk mencapai konsentrasi kritis. Ini masih terlalu lambat untuk layanan jangka panjang.

Ketebalan dinding mitigasi
Tidak ada ketebalan dinding yang menjadi penghalang penyerapan hidrogen. Hidrogen berdifusi dalam titanium tidak bergantung pada ketebalan dinding. Dinding yang lebih tebal menyediakan lebih banyak material untuk menahan retak hidrida sebelum perforasi. Setelah hidrida terbentuk, celah menembus dinding. Semakin tebal dinding, semakin lama waktu retaknya.

Untuk Kelas 2 dalam air garam yang dideaerasi pada suhu 120 derajat, hubungan antara ketebalan dinding dan waktu terjadinya perforasi akibat kerusakan hidrogen (setelah penyerapan dimulai) cukup linier:

Ketebalan Dinding (mm) Waktu Inisiasi Retak Hidrida (bulan) Waktu Inisiasi hingga Perforasi (bulanTotal Masa Pakai (bulan)
0,9 mm 3-6 1-2 4-8 1.2 mm 3-6 2-3 5-9 1.65 mm 3-6 3-5 6-11 2.0 mm 3-6 4-6 7-12
2,5 mm 3-6 5-8 8-14
Tidak adanya ketebalan dinding akan memberikan umur 10 tahun karena penyerapan hidrogen tidak dihentikan. Retak akan mulai terjadi dalam beberapa bulan, berapa pun ketebalan yang digunakan. Dinding yang lebih tebal menunda tusukan tetapi tidak mencegah kegagalan.

Opsi Lainnya
Peningkatan ketebalan dinding tidak memberikan umur yang panjang, oleh karena itu diperlukan langkah-langkah lain:

Oksigen, sisa: Oksigen terlarut harus lebih besar dari 50 ppb (kurang dari 200 ppb untuk membatasi korosi pada baja karbon). Hal ini menjadikan reaksi katodik reduksi oksigen. Hal ini menekan evolusi hidrogen.

Gunakan Kloramin atau oksidan lainnya: Tambahkan 0,5-2 ppm kloramin ke dalam air garam untuk bertindak sebagai oksidan katodik.

Tingkatkan ke Tingkat 7: Paladium (0,12-0,25%) mengkatalisis reduksi oksigen bahkan pada konsentrasi oksigen yang sangat rendah dan menekan penyerapan hidrogen. Kelas 7 dalam air garam deaerasi pada suhu 120 derajat menyerap hidrogen<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Pembalikan proteksi katodik: Pasangkan titanium ke logam yang lebih mulia (platina atau emas) untuk menggeser potensial ke kisaran reduksi oksigen. Tidak praktis untuk pemanas MSF.

Matriks Aplikasi Pemanas Air Garam MSF
Kondisi Air Garam Oksigen Terlarut (ppb) Ketebalan Dinding Tingkat Titanium yang Direkomendasikan Umur yang Diharapkan
Deaerasi (MSF tipikal)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Deaerasi dengan penambahan kloramin<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Oksigen rendah (kondisi terganggu) 20-50 ppb Kadar 2 2.0 mm 3-5 tahun
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb Kelas 2 1.65 mm 10+ tahun (walaupun baja karbon terkorosi)
Titanium kelas 2 tidak cocok untuk pemanas air garam desalinasi MSF pada suhu 120 derajat dengan air garam deaerasi (oksigen<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.