グレード 2 チタン シース ヒーターが 120 度の地熱塩水中で、付着したケイ酸塩スケールを形成せずに耐えられる最大総硬度 (CaCO₃ として) はどれくらいですか?

地熱塩水には、カルシウム、マグネシウム、その他のミネラルのほか、溶存シリカ (SiO2) が豊富に含まれています。シリカは 120 度で重合し、炭酸カルシウム、マグネシウム、ケイ酸塩と共沈殿し、チタン ヒーターの表面に粘り強いスケールを形成します。-酸洗浄で溶解する炭酸カルシウムスケールとは異なり、ケイ酸カルシウムやケイ酸マグネシウムなどのケイ酸塩-ベースのスケールはほとんどの酸に耐性があり、強力な機械的除去が必要です。付着したケイ酸塩スケールの形成なしにグレード 2 チタンが許容できる最大の総硬度 (CaCO3 として表される) は、シリカ レベルとカルシウム-と-の比率の関数です。 200 ～ 400 ppm の SiO₂ を含む平均的な地熱塩水の場合、全体の最大硬度は 500 ppm CaCO₃ です。この温度を超えると、ケイ酸塩スケールが 500 時間以内に付着し、熱伝達が急速に低下します。

チタンへのケイ酸スケールの堆積メカニズム

120 度で液体シリカ (H4SiO4 として) はコロイダルシリカに重合し、最終的には非晶質シリカになります。カルシウムおよびマグネシウムイオンの存在下では、ケイ酸塩スケールが高温のチタン表面に直接沈殿します。沈殿速度は、温度と全体の硬度に応じて指数関数的に増加します。スケールは非晶質で硬く、酸化チタン層との化学結合により強力に付着します。炭酸塩スケールとは異なり、ケイ酸塩スケールは通常の鉱酸 (HCl、H2SO4、HNO3) には安全な量では溶けません。フッ化水素酸 (HF) のみがケイ酸塩スケールを除去できますが、HF はチタンを強力に破壊するため、化学洗浄は実行できません。ケイ酸塩スケールは形成後、こするか高圧ウォータージェットで機械的に除去する必要があり、チタン表面に損傷を与える可能性があります。

全硬度の関数としての定量的スケールの形成と遵守

それらのスケール特性は、模擬地熱塩水 (250 ppm SiO2、pH 7.5、120℃) 中で 500 時間にわたり、ppm CaCO3 として定量化された可変総硬度を使用した管理された試験によって異なることが判明しました。総硬度が200ppm未満。スケールの厚さは 20-50 μm スケールは粉末状で非付着性です。水洗いで除去可能。硬度 200 ～ 400 ppm、スケールの厚さは 50 ～ 100 μm、スケールは非常に粘り強く、除去にはブラッシングが必要で、スケールの下で表面のエッチングが検出されます。硬度 400-600 ppm のスケールは、厚さ 100 ～ 200 μm、硬く、粘着性が高く、除去するには機械的な削りが必要で、500 時間後にはスケール下に 10 ～ 30 μm の腐食が発生します。スケールの厚さは 200 ～ 400 μm、付着したケイ酸塩スケールは 100 時間で形成され、スケール下のピッチングは 50 ～ 100 μm で、熱伝達損失が大きくなります。硬度 600 ～ 800 ppm の場合 硬度 800 ppm では、スケールの形成が迅速かつ粘り強く行われます。 1,000 ～ 2,000 時間のパフォーマンスのリスク。

硬度許容差シリカ濃度と Ca:Mg 比の影響

シリカが多いほど、許容される総硬度が低くなります。シリカが100ppm未満の場合。非付着スケールの最大硬度は 800 ppm です。-スケールの種類は主に炭酸カルシウムで、酸洗浄で除去できます。最大硬度はわずか600ppmです。シリカは100～200ppmです。スケールは混合炭酸塩-ケイ酸塩で、酸とブラシで除去します。シリカ 200 ～ 300 ppm 最大硬度 500 ppm スケールはケイ酸塩が豊富で、適度に付着しています。除去には機械的なブラッシングのみが必要です。チタンの場合、最大硬度は 400 ppm、シリカは 300 ～ 400 ppm です。硬いケイ酸塩スケールが形成されるため、HF による除去はお勧めできません。シリカが 400 ppm を超えると、最大硬度が 300 ppm になり、深刻なケイ酸塩スケールが形成され、チューブを損傷することなく除去できません。カルシウムとマグネシウムの比率もスケールの付着に影響し、マグネシウムの含有量が増えるとより粘りのあるケイ酸マグネシウムスケールが生成され、許容される硬度が 20 ～ 30% 制限されます。

地熱ブラインヒーターの硬度とシリカ管理に関するガイド

次の表は、120 度の地熱塩水中でのグレード 2 チタン シース ヒーターのスケール形成を制御するための推奨事項を、総硬度とシリカ濃度の関数として示しています。

全硬度 (ppm CaCO3) シリコン濃度 (ppm) スケールの種類 除去方法 1,000 時間後の予想スケール厚さ (μm)<200 <200 Calcium carbonate Acid cleaning (5% HCl) <50
200–400 <200 Mixed carbonate-silicate Acid + brushing 50–100 200–400 200–300 Silicate-rich Mechanical brushing only 100–150 400–500 200–300 Hard silicate Mechanical (high-pressure water) 150–200 400–500 >300 Severe silicateNot detachable >200 >500 グレード 2 では受け入れられないもの N/AN/A
硬度とシリカ制御を超えたエンジニアリング

The grade of titanium does not effect the creation of the scale but influences the corrosion under the scale. Grade 7 (palladium-stabilized) is 2–3 times more resistant to under-scale pitting than Grade 2, meaning cleaning is not critical until a bit later in its service life. Wall thickness gives a corrosion allowance, 2.0 mm wall with mild under-scale pitting at 0.05 mm/year lasts 40 years. The tube surface finish affects scale adhesion, with electropolished surfaces (Ra < 0.3 µm) being easier to clean than as drawn surfaces. Mechanical scouring at flow velocities >1 m/s ではスケールの蓄積が減少します。ホスホン酸塩またはポリアクリル酸塩は、炭酸塩スケールに対して効果的なスケール防止剤ですが、ケイ酸塩スケールにはほとんど効果がありません。全体の硬度を 200 ppm 未満に下げる上流の軟化 (イオン交換または石灰軟化) が最も信頼できるオプションです。

情報に基づいた仕様の策定

たとえば、120 度の地熱塩水中のグレード 2 チタン シース ヒーターでは、CaCO3 としての総硬度やシリカ濃度を含む塩水の完全な分析が必要です。全体の硬度が 400 ppm を超えるか、シリカが 250 ppm を超える場合は、上流の軟化を指定して硬度を 200 ppm 未満に下げます。硬度200-400ppmおよびシリカ用<200 ppm, indicate annual mechanical cleaning with nylon brush, never steel. Do not use HF or HCl to clean existing heaters with silicate scale, use a high pressure water jet at 5,000-10,000 psi to manually remove scale. Monitor heater power usage during operation; a 15% rise at constant flow shows scale accumulation and the need for cleaning. The engineer respects the limit of 500 ppm maximum total hardness for 250 ppm SiO₂ in order to avoid the formation of adherent silicate scale on Grade 2 titanium heaters in geothermal brine service.