압력 용기 내 뜨거운(200도) 압축수를 수중 가열하는 경우 수소화가 발생하기 전에 허용되는 최대 튜브 벽 온도는 얼마입니까?

200°C 압축수 수중 가열은 티타늄 침지 히터에 특별한 어려움을 안겨줍니다. 이 온도에서 물은 고압(약 16bar) 하에서만 액체입니다. 고온, 고압의 물 환경은 수소 흡수와 관련하여 티타늄의 열역학적 불안정성을 유발합니다. 예를 들어, 수소화는 확산-이 제어되며 표면 부식이나 구멍 없이 진행됩니다. 취성이 갑작스러운 파손을 일으킬 때까지 뚜렷한 표면 열화는 발생하지 않습니다. 벌크 수온보다는 튜브 벽 온도가 수소화의 조절 매개변수입니다. 내부 가열 요소의 열유속은 물과 접촉하는 외부 벽보다 티타늄 튜브의 내부 벽을 훨씬 더 뜨겁게 가열합니다. 이 내벽 온도의 일정 수준에서는 수소 흡수율이 지나치게 높아지며 수화물 생산은 수년이 아닌 수개월 내에 발생합니다.

압축수에서의 고온 수소화 메커니즘

150도 이상에서는 티타늄 표면에서 물이 해리됩니다: H2O → H+ + OH-. 양성자는 원자 수소로 변환되어 티타늄 격자로 확산됩니다. 티타늄의 수소 용해도는 100도에서 200ppm에서 200도에서 1,500ppm 이상까지 온도에 따라 극적으로 증가합니다. 수소의 국소 농도가 최종 고체 용해도(TSS)를 초과하면 티타늄 수소화물(TiH2)이 침전됩니다. 수소화물 상의 부피는 주변 티타늄보다 17% 더 높아 미세균열을 일으키는 내부 장력을 유발합니다. 지배적인 매개변수는 열유속과 벽 두께에 따라 외벽보다 20-50도 더 높을 수 있는 내벽의 온도입니다. 220도의 내벽과 200도의 외벽에 의해 생성된 수소 농도 구배에 의해 수소화물이 우선적으로 침전되는 더 차가운 외부 표면으로 확산이 진행됩니다.

수소화율과 내벽온도의 정량적 관계

다양한 열 유속 하에서 200도(16bar)의 압축수에서 2등급 티타늄 튜브에 대한 제어 테스트를 통해 1,000시간당 수소 농도가 증가함에 따라 다음과 같은 수소화 속도가 확인되었습니다.

내벽 온도<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.

내벽 온도: 210-230도 수소화 속도: 50-100ppm/1000hr. 2,000~4,000시간 TSS에 도달하는 데 걸리는 시간(3~6개월)입니다. 빈번한 검사와 한계 서비스가 필요합니다.

내벽 온도. 230 ~ 250°C: 수소화 속도 200 ~ 400ppm/1,000hr. 500~1,000시간(3~6주)의 TSS에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 500시간 후에 금속 조직학적으로 수소화물 혈소판이 보입니다.

내벽 온도 > 250도 : 수소화율 > 500ppm/1,000시간. 200~400시간 만에 TSS를 넘어섰다. 표면이 타는 듯한 현상과 갈라짐이 관찰되었습니다. 치명적인 실패가 임박했습니다.

최대 허용 내벽 온도 계산 가이드

아래 표는 허용되는 최대 내벽 온도와 원하는 사용 수명에 따른 열유속 제한을 추정하기 위한 현실적인 접근 방식을 제공합니다.

200도 물에서 최대 허용 내벽 온도 원하는 서비스 수명유사한 최대 열 유속(OD 20mm, 벽 1.2mm)동등한 최대 열 유속(OD 25mm, 벽 1.5mm)
5년(43,800시간) 205도 12W/cm2 10W/cm2
2년(17,500시간) 215도 18W/cm2 15W/cm2
1년(8,760시간) 225도 25W/cm2 22 W/cm2
6개월(4,380시간) 235도 32W/cm² 28W/cm²
응급 서비스 전용(1개월) 250도 45W/cm² 40W/cm²
수소화 방지를 위한 엔지니어링 설계

내부 벽 온도는 벌크 수온, 열 흐름(q), 벽 두께(t) 및 티타늄 열전도율(k=17 W/m·K at 200 °): ΔT=(q × t) / k를 사용하여 결정됩니다. 20W/cm2에서 1.2mm 벽의 경우 ΔT=(200,000W/m2 × 0.0012m) / 17W/m·K=14 도 . 200도의 대량 물 --214도의 내벽 --2년 수명 제한 초과. 흥미롭게도 벽 두께를 줄이면 동일한 열유속. 0.8 mm 벽 20 W/cm$^2$에 대한 내부 벽 온도가 감소하여 $\\Delta T$=9$^o$C를 제공하고 내부 벽은 209$^o$C로 5년 수명에 허용됩니다. 따라서 부식에 대한 일반적인 설계 철학과 달리 얇은 벽은 수소화 저항에 더 좋습니다. 수소 재결합에 대한 팔라듐의 촉매 영향은 7등급 티타늄(팔라듐 안정화)의 임계 내벽 온도를 약 15~20도 높입니다.

사양 정보

예를 들어, 티타늄 히터가 200도 압축수 서비스용으로 지정된 경우 원하는 열 유속과 제안된 벽 두께로부터 내부 벽 온도를 계산합니다. 2년을 초과하는 서비스 수명이 필요한 응용 분야의 경우 210도를 초과하지 마십시오. 필요한 열 유속이 25W/cm2를 초과하는 경우 벽 두께를 줄여 ΔT를 최소화하거나 7등급 티타늄을 제공하십시오. 열 흐름을 분산시킵니다. 하나의 높은 와트 밀도 히터 대신 여러 개의 낮은 와트 밀도 히터를 사용하십시오. 작동 중인 히터의 전기 저항을 모니터링합니다. 기준선보다 10~15% 상승한 것은 수소화물 생성 및 취성을 나타냅니다. 튜브 외벽에 열전대를 설치하고 내부 벽 온도를 지속적으로 계산합니다. 계산된 내벽 온도가 누적 100시간 이상 동안 230°C를 초과하는 경우 남은 벽 두께에 관계없이 히터를 사용하지 마세요. 엔지니어는 대량 물의 온도를 관리하는 대신 내벽의 온도를 제어합니다. 이는 고온 용수 시스템에서 수소 취성의 점진적인 실패를 방지합니다.