製油所の頭上ラインで塩化アンモニウム (NH₄Cl) を含む堆積物を含む凝縮蒸気を再加熱するためにチタン製加熱管が使用される場合、シースの下の堆積物の厚さはどのようにして局所的なホット スポットや水素ブリスターを引き起こすのでしょうか?

製油所オーバーヘッド サービスのためのチタン ヒーター設計における基本的なトレードオフ-
製油所の頭上パイプには、蒸気凝縮水中に塩化アンモニウム (NH4 Cl) が堆積しています。堆積物は、凝縮蒸気中での原油処理からの NH3 と HCl の混合によって生じます。下流の炭素鋼配管の腐食を防ぐために、凝縮水を再加熱するためにチタン製加熱管が設置されています。 NH4Cl の堆積物がチタンシースの表面に蓄積します。これらの堆積物は吸湿性があり、濡れると濃縮された塩水になります。最も重要な影響は熱です。NH4Cl の熱伝導率はチタン (17 W/mK) に比べて非常に低くなります (約 0.5-0.8 W/mK)。厚さ 1 mm の層を 1 回堆積すると、チタンとの接触部分で 20 ～ 40 度の温度スパイクが発生します。この局所的な過熱により、内部の MgO 絶縁体に損傷を与えるホット スポットと、NH4Cl の破壊による水素膨れの 2 つの故障モードが発生します。壁の厚さは温度上昇を増加させますが、堆積物の厚さが支配的な変数です。この調査により、そのメカニズムが明らかになり、堆積物の管理が壁の厚さよりも重要であることがわかりました。

水素膨れのメカニズム - 機械的完全性への影響
The ammonium chloride decomposes under the NH₄Cl deposit at a titanium sheath temperature >120度：NH4Cl→NH3+HCl。 HCl は非常に腐食性が高く、チタン不動態層に損傷を与え、副生成物として原子状水素を生成します:Ti + 3HCl → TiCl₃ + 3H。原子状の水素がチタンの格子に取り込まれます。それは、粒界、または介在物または空隙で分子 H2 に再結合します。-水素ガスはそれ以上拡散できず、局所的に圧力が高まり、シースの表面に水疱-が盛り上がったドーム状の膨らみ-が生じます。水疱は直径 2 ～ 5 mm、高さ 0.1 ～ 0.5 mm になることがあります。水素がまだ生成されているため、ブリスターは破裂します。これにより、壁を貫通する穴が形成されます。

The deposit below which breakdown occurs is remarkably thin. Field measurements of NH4Cl deposits of 0.5-1.0 mm on refinery overhead lines show sheath surface temperatures of 140-180°C at typical heat flux (2.0 W/cm2) above decomposition temperature of 120°C. Thicker deposits (2–3 mm) can reach temperatures >250 度で急速に水素ブリスターが発生します。

熱性能への影響: 温度上昇の計算
Ti- 堆積物における界面温度の上昇は、デルタ T=qx t_deposit / k_deposit です。q は熱流、t_deposit は堆積物の厚さ、k_deposit は NH4Cl の熱伝導率 (~0.6 W/m・K) です。 2.0 W/cm^2 (20,000 W/m^2) の典型的な熱流束の場合、1.0 mm NH4Cl 堆積物は ΔT= 20,000x0.001/0.6=33 度をもたらします。バルク凝縮物の温度が 100 度の場合、堆積物の下のチタン表面は 133 度に加熱されます。チタンの壁厚による追加の低下はわずかで (1 ～ 2 度)、堆積効果に関しては最小限です。

トレードオフ合成: 必要な肉厚に対する堆積厚さ
NH4Cl 堆積物の厚さ (mm) 堆積下の表面温度 (度) (q=2.0 W/cm2、バルク =100 度) 水素膨れのリスク ブリスター許容差が必要 チタン肉厚 (mm) mm 0.2 107 度 なし (120 度のしきい値未満) 0.8 (構造) 0.5 117 度 低 (限界) 1.0 1.0 133 度 中程度(数か月で水疱が出現する) 1.5 (水疱はまだ形成される)
2.0 mm 167 °C High (blistering in weeks) >3mm（無効）
3.0mm 200度 重度（急速な水膨れ） 非実用的
1.5 mm の壁でも水ぶくれが止まるわけではなく、水ぶくれが破裂して漏れる前に、より多くの物質が得られるというだけです。根本的な解決策は、壁の厚さではなく、堆積を避けることです。

壁のエンジニアリング: 付着物の防止と洗浄
堆積物の厚さが主な変数です。最良の方法は、NH4Cl の蓄積を引き起こさない方法です。 NH4Cl の堆積物が 0.2 mm より厚くなる前に溶解するために、ヒーターに脱イオン水を定期的にスプレーする水洗システムが設置されています。堆積厚さは 0.2 mm 未満、表面温度は 110 度未満です。毎日の洗浄では肉厚に関係なく膨れは観察されません。または、PTFE ノンスティック コーティング (25 ～ 50 μm) により、NH 4 Cl がチタン表面に付着するのを防ぎます。温度勾配により露出したチタンに急速に堆積物が蓄積するため、コーティングにはピンホールがあってはなりません。別のオプションは、より低い熱流束 (2.0 W/cm 2 ではなく 1.0 W/cm 2) でヒーターを動作させることです。これにより、1.0 mm の堆積物によるΔ T が 33 度から 17 度に減少し、同時に堆積物がかなり蓄積しても表面を 120 度未満に維持できます。-。これは、ヒーターの表面積を大きくするか、加熱時間を長くするかのトレードオフです。

結論: 壁の厚さはブリスターを防ぐことはできませんが、デポジット管理はブリスターを防ぐことができます
塩化アンモニウムを含む凝縮蒸気の堆積物が製油所の頭上ラインのチタン加熱管によって再加熱される場合、シースの下の堆積物の厚さが局所的なホットスポットと水素膨れに影響を与える主な変数です。 NH4Cl は熱伝導率が非常に低い (約 0.6 W/mK) ため、1.0 mm の堆積により、通常の熱流でチタンの表面温度が 33 度上昇し、破壊しきい値の 120 度を超えます。分解は HCl 腐食を引き起こし、その結果、原子状水素が発生して膨れが発生し、最終的には漏れが発生します。推奨される仕様は、チタンの壁を厚くすることではなく（利点はほとんどありません）、堆積物を防止する戦略です。堆積物の厚さを 0.2 mm 未満に保つための毎日の水洗浄か、PTFE ノンスティック コーティングのいずれかです。-壁の厚さは膨れを制御する上で主要な変数ではありませんが、構造の安定性を確保するには 1.2 ～ 1.5 mm にする必要があります。予測される NH₄Cl 濃度と水洗浄の実現可能性をメーカーに提供します。デポジットを規制しないと、3.0 mm のチタン壁でも数か月で膨れが生じて崩壊する可能性があります。」デポジット制御により、基本的な 1.2 mm の壁で 10 年以上の耐用年数が提供されます。