圧力容器内の高温 (200 度) 圧縮水の水中加熱の場合、水素化が起こる前の最大許容管壁温度は何度ですか?

200℃の圧縮水浸漬加熱は、チタン浸漬ヒーターにとって特に困難です。この温度では、水は高圧下 (約 16 bar) でのみ液体になります。高温高圧の水環境は、水素吸収に関してチタンの熱力学的不安定性を引き起こします。たとえば、水素化は拡散-によって制御され、表面腐食や孔食を起こすことなく進行します。脆化によって突然の破壊が生じるまで、明らかな表面劣化は発生しません。バルク水の温度ではなく、管壁の温度が水素化の制御パラメータです。内部の発熱体からの熱流束により、チタンチューブの内壁は水と接触している外壁よりもはるかに熱くなります。この内壁温度のあるレベルでは、水素の吸収速度が過度に高くなり、水素化物の生成は数年ではなく数か月で発生します。

圧縮水中での高温水素化のメカニズム

水はチタンの表面で 150 度以上で解離します: H2O → H+ + OH-。陽子は原子状水素に変換され、チタン格子内に拡散します。チタンへの水素の溶解度は、温度が 100 度で 200 ppm から 200 度で 1,500 ppm 以上まで劇的に増加します。局所的な水素濃度が末端固溶度 (TSS) を超えると、水素化チタン (TiH2) が沈殿します。水素化物相の体積は周囲のチタンよりも 17% 多く、内部張力が生じて微小亀裂が発生します。支配的なパラメータは内壁の温度であり、熱流束と壁の厚さに応じて、外壁より 20 ～ 50 度高くなる可能性があります。拡散は、220 度の内壁と 200 度の外壁によって形成される水素濃度勾配によって促進され、水素化物が優先的に沈殿する低温の外表面へ向かいます。

水素化速度と内壁温度の定量的関係

異なる熱流束下でのグレード 2 チタンチューブの 200 度 (16 bar) の圧縮水中での制御されたテストにより、1,000 時間あたりの水素濃度の上昇に伴う以下の水素化率が確認されました。

内壁温度<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.

内壁温度：210～230度 水素化率：50～100ppm/1000hr TSS が 2,000 ～ 4,000 時間に達するまでの時間 (3 ～ 6 か月)。頻繁な検査と最低限の整備が必要です。

内壁温度. 230 ～ 250 ℃: 水素化速度 200 ～ 400 ppm/1,000 時間。 TSS が 500 ～ 1,000 時間に達するまでの時間 (3 ～ 6 週間)。 500 時間後に金属組織学的に見える水素化物小板。

内壁温度 > 250 度: 水素化速度 > 500 ppm/1,000 時間。 TSSは200〜400時間で超えました。表面の焼けやひび割れが見られます。壊滅的な失敗が差し迫っています。

最大許容内壁温度の計算ガイド

以下の表は、望ましい耐用年数に対する最大許容内壁温度とそれに伴う熱流束制限を見積もるための現実的なアプローチを示しています。

200 度の水における最大許容内壁温度 望ましい耐用年数同等の最大熱流束 (外径 20 mm、壁 1.2 mm) 同等の最大熱流束 (外径 25 mm、壁 1.5 mm)
5 年 (43,800 時間) 205 度 12 W/cm2 10 W/cm2
2 年 (17,500 時間) 215 度 18 W/cm2 15 W/cm2
1 年 (8,760 時間) 225 度 25 W/cm2 22 W/cm2
6ヶ月 (4,380時間) 235度 32 W/cm² 28 W/cm²
緊急サービスのみ (1 か月) 250 度 45W/cm² 40W/cm²
水素化を防ぐエンジニアリング設計

内壁の温度は、バルク水の温度、熱流量 (q)、壁の厚さ (t)、およびチタンの熱伝導率 (k=17 W/m・K at 200 度): ΔT=(q × t) / k を使用して決定されます。 20 W/cm2 で 1.2 mm の壁の場合、ΔT=(200,000 W/m2 × 0.0012 m) / 17 W/m・K=14 度。 200 度のバルク水 - - 214 度の内壁 -- 2 年の寿命限界を超えています。興味深いことに、壁の厚さを減らすと、同じ熱流束. 0.8 mmの壁で内壁の温度が低下します。20 W/cm$^2$は$\\Delta T$=9$^o$Cを与え、内壁は209$^o$Cで、5年間の寿命に耐えられます。したがって、腐食に対する通常の設計哲学とは異なり、壁が薄いほど耐水素化性が向上します。水素再結合に対するパラジウムの触媒作用により、グレード 7 チタン (パラジウム安定化) の内壁温度の閾値が約 15 ～ 20 度上昇します。

通知された仕様

たとえば、チタン ヒーターが 200 度の圧縮水サービスに指定されている場合、必要な熱流束と提案された壁の厚さから内壁温度を計算します。 2 年を超える耐用年数が必要な用途では、210 度を超えてはなりません。熱流束の必要性が 25 W/cm2 を超える場合は、壁の厚さを薄くして ΔT を最小限に抑えるか、グレード 7 のチタンを使用します。熱の流れを分散させます。 1 つの高ワット密度ヒーターではなく、低ワット密度ヒーターを多数使用します。動作中のヒーターの電気抵抗を監視します。ベースラインに対する 10 ～ 15% の上昇は、水素化物の生成と脆化を示しています。チューブの外壁に熱電対を取り付け、内壁の温度を連続的に計算します。計算された内壁温度が累積 100 時間を超えて 230 ℃ を超えた場合は、残りの壁の厚さに関係なく、ヒーターの使用を停止してください。エンジニアは、バルク水の温度を管理する代わりに、内壁の温度を制御します。これにより、高温水システムにおける水素脆化による徐々に破損が防止されます。