Fyrir upphitun í kafi á heitu (200 gráðu) þjöppuðu vatni í þrýstihylki, hvað er hámarks leyfilegt hitastig rörveggs áður en vökvun á sér stað?

200 gráður C upphitun með þjappað vatni í kafi býður upp á sérstaka erfiðleika fyrir títaníumdýfingar. Við þetta hitastig er vatn aðeins fljótandi undir háþrýstingi (um 16 bör). Háhita, háþrýstingsvatnsumhverfið veldur varmafræðilegum óstöðugleika títan með tilliti til frásogs vetnis. Vökvun, til dæmis, er dreifingu-stýrð og fer áfram án yfirborðs tæringar eða gryfju; engin augljós rýrnun á yfirborði á sér stað fyrr en stökkun veldur snöggu broti. Hitastig rörveggsins frekar en magn vatnshitastigsins er stýribreytan fyrir hydrering. Hitafæðið frá innri hitaeiningunni hitar innri vegg títanrörsins mun heitari en ytri veggurinn sem er í snertingu við vatn. Á einhverju stigi þessa innri vegghitastigs verður frásogshraði vetnis of hátt og hýdríðframleiðsla á sér stað á mánuðum frekar en árum.

Vélbúnaður til að hýða háhita í þjöppuðu vatni

Vatnið sundrast við yfirborð títan yfir 150 gráður: H2O → H+ + OH-. Róteindunum er breytt í atómvetni, sem dreifist inn í títan grindurnar. Vetnisleysni í títan vex verulega við hitastig frá 200 ppm við 100 gráður í meira en 1.500 ppm við 200 gráður. Þegar staðbundinn styrkur vetnis fer yfir endanlegt solid leysni (TSS), fellur títanhýdríð (TiH2) út. Rúmmál hýdríðfasans er 17% hærra en títanið í kring sem veldur innri spennu sem veldur örsprungu. Ráðandi breytu er hitastig innri veggsins, sem getur verið 20-50 gráður hærra en ytri veggsins, allt eftir hitaflæði og veggþykkt. Dreifingin er knúin áfram af vetnisstyrkhlutfalli sem myndast af innri vegg við 220 gráður og ytri vegg við 200 gráður, til kaldara ytra yfirborðsins þar sem hýdríð falla helst út.

Magnbundið samband milli vökvunarhraða og hitastigs innra veggja

Stýrðar prófanir í þjöppuðu vatni við 200 gráður (16 bör) á 2. stigs títanrörum undir mismunandi hitastreymi hafa staðfest eftirfarandi hýdrunarhraða þegar vetnisstyrkur hækkar á 1.000 klukkustundir:

Innri vegghiti<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.

Innri vegghiti: 210-230 gráður Vökvahraði: 50-100 ppm/1000 klst. Tími til að ná 2.000-4.000 klukkustundum TSS (3-6 mánuðir). Þarfnast tíðar skoðunar og lélegrar þjónustu.

Innri vegghiti. 230 til 250 gráður C: Vökvahraði 200 til 400 ppm/1.000 klst. Tími til að ná TSS upp á 500-1.000 klukkustundir (3-6 vikur). Hydride blóðflögur málmfræðilega sýnilegar eftir 500 klst.

Innri vegghiti > 250 gráður: Vökvahraði > 500 ppm/1.000 klst. TSS fór fram úr á 200-400 klukkustundum. Sást sviða og sprungna yfirborðs. Hrikaleg bilun er yfirvofandi.

Reiknileiðbeiningar fyrir hámarks leyfilegt hitastig innra veggja

Taflan hér að neðan gefur raunhæfa nálgun til að áætla hámarks leyfilegt hitastig innra veggja og meðfylgjandi hitaflæðistakmarkanir fyrir æskilegan endingartíma.

Hámarks leyfilegt hitastig innra veggja við 200 gráður Vatn Æskilegt ÞjónustulífSvipað hámarks hitaflæði (OD 20 mm, veggur 1,2 mm) Samsvarandi hámarks hitaflæði (25 mm OD, 1,5 mm vegg)
5 ár (43.800 klst.) 205 gráður 12 W/cm2 10 W/cm2
2 ár (17.500 klst.) 215 gráður 18 W/cm2 15 W/cm2
1 ár (8.760 klst.) 225 gráður 25 W/cm2 22 W/cm2
6 mánuðir (4.380 klst.) 235 gráður 32 W/cm² 28 W/cm²
Aðeins neyðarþjónusta (1 mánuður) 250 gráður 45W/cm² 40W/cm²
Verkfræðihönnun til að koma í veg fyrir vökvun

Hitastig innri veggsins er ákvarðað með því að nota magn vatnshita, varmaflæði (q), veggþykkt (t) og títan hitaleiðni (k=17 W/m·K við 200 gráður): ΔT=(q × t) / k. Fyrir 1,2 mm vegg við 20 W/cm2, ΔT=(200.000 W/m2 × 0,0012 m) / 17 W/m·K=14 gráður. Magnvatn við 200 gráður --innri veggur við 214 gráður -- fyrir utan 2 ára líftímamörk. Athyglisvert er að minnkandi veggþykkt lækkar innri vegghitastig fyrir sama hitaflæði. 0.8 mm vegg 20 W/cm$^2$ gefur $\\Delta T$=9$^o$C, innri vegg við 209$^o$C, ásættanlegt fyrir 5 ára líftíma. Þynnri veggir eru því betri fyrir vökvaþol ólíkt venjulegri hönnunarheimspeki fyrir tæringu. Hvatandi áhrif palladíums á endursamsetningu vetnis hækkar þröskuldinn innri vegghitastigs 7 títan (palladíum-stöðugleika) um það bil 15–20 gráður.

Forskrift upplýst

Til dæmis, ef títan hitari er tilgreindur fyrir 200 gráðu þjappað vatnsþjónustu, reiknaðu innri vegghitastigið út frá æskilegu hitaflæði og fyrirhugaðri veggþykkt. Fyrir hvaða forrit sem þarfnast endingartíma umfram 2 ár, ekki fara yfir 210 gráður. Ef hitaflæðisþörf er > 25 W/cm2, annaðhvort lægri veggþykkt til að lágmarka ΔT eða veita 7. stigs títan. Dreifið út hitaflæðinu. Notaðu marga hitara með lágum wattaþéttleika í staðinn fyrir einn hitara með háum wattaþéttleika. Fylgstu með rafviðnám hitara í gangi. 10–15% hækkun yfir grunnlínu er vísbending um hýdríðframleiðslu og stökkun. Settu hitaeiningu á ytri vegg rörsins og reiknaðu stöðugt hitastig innan veggsins. Ef útreiknaður innri vegghiti fer yfir 230 gráður C í meira en 100 uppsafnaðar klukkustundir skal taka hitarinn úr notkun án tillits til veggþykktar sem eftir er. Í stað þess að stjórna hitastigi magnvatnsins stjórnar verkfræðingur hitastigi innri veggsins. Þetta kemur í veg fyrir smám saman bilun vetnisbrots í háhitavatnskerfum.