Dalam Air Garam Panas Bumi dengan 200 ppm Hidrogen Sulfida dan 150 derajat, Apa Lapisan Oksida Pelindung yang Terbentuk pada Titanium Kelas 12, dan Bagaimana Cara Menurunnya Di Atas 130 derajat?

Air garam panas bumi yang digunakan untuk pembangkit listrik dan aplikasi pemanasan langsung merupakan campuran kompleks klorida (10.000-30.000 ppm), karbon dioksida, hidrogen sulfida (50-500 ppm) dan logam berat. 100 hingga 200 derajat , bergantung pada kedalaman sumur. Ketahanan Titanium Kelas 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) terhadap retak tegangan sulfida dan korosi lokal menjadikannya bahan pilihan untuk penukar panas dan pemanas perendaman dalam penggunaan panas bumi. Kunci kinerja paduan ini adalah penciptaan dan stabilitas lapisan oksida pelindung tertentu. Grade 12 adalah oksida dupleks yang memberikan perlindungan sangat baik pada suhu hingga 130 derajat. Di atas 130 derajat oksida terdegradasi oleh inklusi sulfida dengan serangan klorida dan korosi yang begitu cepat. Artikel ini menjelaskan mekanisme pembentukan oksida pada Grade 12 dalam air garam panas bumi dan menentukan batas suhu untuk layanan pemanas yang andal.

Pembentukan Lapisan Oksida pada Kelas 12 Di Bawah 130 derajat
Untuk titanium Kelas 12 yang direndam dalam air garam panas bumi pada suhu di bawah 130 derajat , struktur oksida tiga-lapisan akan terbentuk. Lapisan paling dalam (di sebelah logam) adalah fase rutil kompak TiO2 yang tipis (10-20 nm). Lapisan tengah (20-50 nm) adalah oksida campuran TiO2, MoO3 dan NiO dengan molibdenum yang 3-5 kali lebih pekat dibandingkan paduan curah. Lapisan terluar (50-200 nm) adalah titanium oksida terhidrasi berpori yang mengandung spesies sulfat dan karbonat dari air garam.

Molibdenum adalah bagian penting dari paduan. Pada langkah pasivasi pertama, molibdenum larut dari permukaan paduan, terhidrolisis dan dipresipitasi kembali sebagai MoO3 atau molibdat (MoO4 2−) dalam film oksida. Spesies molibdat ini berfungsi sebagai inhibitor anionik, menghalangi masuknya ion klorida dan menurunkan laju pemecahan film yang diinduksi klorida. Kandungan nikel (0,6-0,9%) meningkatkan konduktivitas listrik oksida dan mendukung repassivasi cepat setelah kerusakan mekanis.

Dengan adanya hidrogen sulfida (H 2 S) pada 200 ppm, sejumlah kecil belerang dimasukkan ke dalam oksida sebagai sulfat (SO 4 2- ) dan bukan sulfida (S 2- ). Faktanya, spesies sulfat menstabilkan oksida dengan membentuk kompleks TiOSO4 yang kurang larut dibandingkan TiO2 dalam air garam klorida. Di bawah 130 derajat, oksida sulfur terintegrasi ini memiliki tingkat korosi 0,01-0,03 mm per tahun, menjadikan Grade 12 salah satu material paling tahan lama untuk layanan panas bumi.

Degradasi pada Suhu > 130 derajat
Pada suhu di atas 130 derajat oksida pelindung diubah. Perubahan penting adalah reduksi molibdat (Mo⁶⁺) menjadi molibdenum dioksida (MoO₂) atau molibdenum sulfida (MoS₂). Penurunan ini karena potensial kesetimbangan pasangan Mo⁶⁺/Mo⁴⁺ bervariasi terhadap suhu dan keberadaan H₂S menciptakan lingkungan pereduksi. Setelah Anda mereduksi molibdat menjadi MoO2, ia tidak lagi bertindak sebagai penghambat klorida. Oksida menjadi lebih permeabel terhadap ion klorida dan sulfida.

Pada saat yang sama, H₂S mulai tergabung secara langsung sebagai sulfida (S²⁻) dan bukan sebagai sulfat. Titanium sulfida (TiS₂ atau TiS₃) terbentuk di dalam lapisan oksida luar. Titanium sulfida kurang protektif dibandingkan TiO2 dan rentan terhadap hidrolisis, sehingga menghasilkan H2S dan TiO berpori2 . Struktur berpori memungkinkan air garam mencapai logam di bawahnya, sehingga mempercepat korosi.

Kemunduran ini dipercepat secara signifikan di atas 150 derajat. Interaksi logam-oksida membentuk molibdenum dan nikel sulfida dan oksida terkelupas dalam bentuk serpihan. Laju korosi adalah 0,03 mm per tahun pada suhu 130 derajat, meningkat menjadi 0,15-0,25 mm per tahun pada suhu 150 derajat dan menjadi 0,5-1,0 mm per tahun pada suhu 170 derajat. Penipisan umum dikaitkan dengan serangan lokal dalam bentuk korosi lubang dan celah.

Tingkat Korosi versus Suhu
Temperatur Fase Oksida Utama Laju Korosi (mm/thn) Mode Kegagalan 100-120 derajat TiO2+MoO3+NiO, dengan sulfat 0,01-0,02 Seragam, tidak signifikan 120-130 derajat TiO2+MoO3 (reduksi sebagian dimulai) 0,02-0,04 Seragam 130-140 derajat TiO2+MoO2+TiS2 (mula sulfida) 0,05-0,10 Seragam + beberapa lubang 140-150 derajat TiO2+MoS2+TiS2, oksida kurang protektif 0,12-0,20 Lubang dan serangan umum 150-170 derajat Pengelupasan campuran oksida, logam sulfida 0,25-0,50 Parah lubang, perforasiSkala sulfida, tidak terlindungi 170 derajat 0,60-1,20 Kegagalan cepat
Matriks Aplikasi untuk Kelas 12 dalam Pelayanan Panas Bumi
Suhu Air Garam Panas Bumi Konsentrasi H2S (ppm) Bahan yang Direkomendasikan Masa Pakai yang Diharapkan (pemanas dinding 2,0 mm)
100-120°C 50-200 Grade 12 titanium 10-15 years 120-130°C 100-300 Grade 12 titanium, annual inspection 6-10 years 130-140°C 150-300 Grade 12 limited, consider Grade 7 or Hastelloy C-276 3-5 years 140-150°C 200-500Hastelloy C-276 or C-22 4-6 years >150°C >200 Tidak direkomendasikan untuk titanium, paduan nikel, atau zirkonium Variabel
Lapisan oksida pelindung (TiO2 dengan pengayaan MoO3 dan penggabungan sulfat) pada titanium Kelas 12 stabil hingga 130 derajat dengan adanya air garam panas bumi yang mengandung 200 ppm hidrogen sulfida, dan laju korosi < 0,04 mm/tahun. Di atas 130 derajat, molibdat direduksi menjadi MoO2 atau MoS2 dan titanium sulfida terbentuk melemahkan oksida pelindung dan meningkatkan laju korosi secara eksponensial. Kelas 12 dibatasi masa pakainya (3-5 tahun) untuk layanan pemanas di atas 130 derajat. Bahan lain seperti Hastelloy C-276 atau titanium kelas 7 (yang kinerjanya sedikit lebih baik hingga 140 derajat karena mekanisme paladium yang berbeda) dapat diselidiki. Pemanas untuk air garam panas bumi Kelas 12 harus memiliki pengujian korosi yang ditentukan pada suhu pengoperasian tertinggi yang diharapkan dengan menggunakan sampel air garam aktual dan dirancang dengan ketebalan dinding minimum 2,5 mm untuk memungkinkan toleransi korosi untuk memperhitungkan peningkatan serangan yang tidak dapat dihindari di atas 130 derajat. Titanium dalam tingkatan apa pun tidak disarankan untuk servis berkelanjutan di atas 140 derajat.