Όταν χρησιμοποιείτε θερμαντήρες εμβάπτισης τιτανίου σε βρωμιούχα-πλούσια γεωθερμικά υγρά, ποια είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη ροή θερμότητας πριν από την έναρξη της τοπικής διάβρωσης;

Οι τυπικοί μεταλλικοί θερμαντήρες πάσχουν από ένα ιδιαίτερο πρόβλημα επιθετικής χημείας των γεωθερμικών ρευστών από βαθιά πηγάδια. Ορισμένες γεωθερμικές άλμη έχουν συγκεντρώσεις βρωμίου που φτάνουν έως και 500-1.200 ppm, με μερικές να περιλαμβάνουν επίσης χλωριούχο (10.000-30.000 ppm), διαλυμένα σουλφίδια και υψηλές θερμοκρασίες (120-200 βαθμούς στο πηγάδι). Το τιτάνιο Grade 2 ή Grade 7 χρησιμοποιείται συχνά για γενική αντοχή στη διάβρωση, αλλά τα ιόντα βρωμιδίου αντιπροσωπεύουν μια ειδική απειλή: επιτίθενται στο φιλμ παθητικού οξειδίου πιο επιθετικά από το χλωρίδιο σε συνθήκες υψηλής ροής θερμότητας. Η μέγιστη επιτρεπόμενη ροή θερμότητας, δηλαδή η θερμική ισχύς που μεταδίδεται ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας του σωλήνα, αποφασίζει εάν ο θερμαντήρας θα λειτουργήσει με ασφάλεια για χρόνια ή αν θα αποτύχει με εντοπισμένο κοίλωμα εντός μηνών. Όταν ξεπεραστεί η κρίσιμη ροή θερμότητας, η ηλεκτροχημεία της επιφάνειας αλλάζει από παθητική σε ενεργή και αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό κοιλωμάτων που θα τρυπήσουν γρήγορα ακόμη και τους σωλήνες με παχύ{17} τοίχωμα.

Μηχανισμός προκαλούμενης διάτρησης από βρωμίδιο- σε υψηλή ροή θερμότητας

Η προστατευτική επίστρωση TiO2 στο τιτάνιο είναι σταθερή μόνο σε ένα συγκεκριμένο ηλεκτροχημικό δυναμικό και εύρος θερμοκρασίας. Ένας θερμαντήρας εμβάπτισης εγχέει ηλεκτρισμό σε μια γεωθερμική άλμη και η θερμοκρασία της επιφάνειας του σωλήνα υπερβαίνει τη θερμοκρασία του υγρού όγκου κατά ένα δέλτα (ΔT) ανάλογο με τη ροή θερμότητας και αντιστρόφως ανάλογο με τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Για μια τυπική συνθήκη τυρβώδους ροής (h=5,000 W/m2K) μια ροή θερμότητας 50 kW/m2 αποδίδει ΔT σχεδόν 10 μοιρών. Τα ιόντα βρωμιδίου είναι μεγαλύτερα και λιγότερο ενυδατωμένα από τα ιόντα χλωρίου και έτσι απορροφώνται πιο έντονα σε επιφάνειες τιτανίου σε αυξημένες θερμοκρασίες. Για ροές θερμότητας που υπερβαίνουν μια ειδική τιμή κατωφλίου{10}}του υλικού, η τοπική θερμοκρασία επιφάνειας οδηγεί το ηλεκτροχημικό δυναμικό στη μεταβατική περιοχή και το φιλμ οξειδίου αποτυγχάνει. Μόλις σχηματιστεί ένα λάκκο η υψηλή πυκνότητα ρεύματος στο λάκκο οδηγεί σε τοπική οξίνιση (το pH μπορεί να είναι μικρότερο από 1) και τα ιόντα βρωμιδίου συνδυάζονται με ιόντα τιτανίου που εμποδίζουν την επαναπαθητοποίηση. Τα δεδομένα δοκιμών γεωθερμικού πεδίου δείχνουν ότι η ουσιαστική ροή θερμότητας για άλμη βρωμιδίου είναι περίπου 30-40% χαμηλότερη από ό,τι για τις άλμης μόνο με χλωριούχα- σε ίσες συγκεντρώσεις.

Ποσοτική σχέση μεταξύ συγκέντρωσης βρωμιδίου, ροής θερμότητας και χρόνου διάτρησης

Οι εργαστηριακές έρευνες έχουν δημιουργήσει έναν συντηρητικό ασφαλή φάκελο λειτουργίας μέσω ηλεκτροχημικής παρακολούθησης θορύβου. Για τιτάνιο Βαθμού 2 σε προσομοιωμένη γεωθερμική άλμη που περιέχει 800 ppm Br−, 15.000 ppm Cl− και θερμοκρασία όγκου 130 μοιρών, οι ακόλουθες σχέσεις είναι:

Ροή θερμότητας < 25 kW/m²: πυκνότητα παθητικού ρεύματος < 0,1 µA/cm². Χωρίς pitting στις 5.000 ώρες

25–35 kW/m2: Εμφανίζεται μετασταθερή κοιλότητα (τρέχοντα μεταβατικά 1–10 µA) αν και η επαναπαθητικοποίηση είναι συνήθως επιτυχής. Τα σταθεροποιημένα κοιλώματα διεισδύουν σε πάχος τοιχώματος 0,5 mm σε 1.500 έως 2.000 ώρες.

Ροή θερμότητας 35–45 kW/m 2 : η σταθερή διάνοιξη ξεκινά μετά από 200–500 ώρες. αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης λάκκου από 0,01 mm/h σε 0,05 mm/h

Ροή θερμότητας > 45 kW/m²: Η γρήγορη διάτρηση προκαλεί διάτρηση ενός τοιχώματος σωλήνα 1,2 mm στο<300 hours.

Η κρίσιμη ροή θερμότητας τιτανίου 7-βαθμού (παλλάδιο 0,12-0,25%) αυξάνεται κατά περίπου 30% λόγω της καταλυτικής επίδρασης του ευγενούς μετάλλου στην επαναπαθητικοποίηση. Η μέγιστη επιτρεπόμενη ροή θερμότητας για μακροχρόνια λειτουργία (10 χρόνια ζωής με<0.1 mm penetration) is 35 kW/m2 for Grade 2 and 45 kW/m2 for Grade 7 in 800 ppm bromide brines.

Σενάριο-Οδηγός για την επιλογή της ροής θερμότητας

Ο παρακάτω πίνακας δίνει ένα πλαίσιο επιλογής με βάση τη συγκεκριμένη σύνθεση της γεωθερμικής άλμης και τη στρατηγική λειτουργίας.

Γεωθερμική άλμη Κατάσταση και λειτουργική προτεραιότητα Συνιστώμενη Μέγιστη Θερμική Ροή Πυρήνα Σκεπτικό & Trade-Απενεργοποίηση
Βρωμιούχο<300 ppm, clean fluid, continuous flow ( > 1 m/s), Grade 2 titanium 35–40 kW/m2Moderate flux, lower bromide. Flow prevents concentration in stagnation zones. Accepts standard heater sizes.
Βρωμίδιο 300–800 ppm, διακοπτόμενη λειτουργία (ημερήσιος θερμικός κύκλος) Τιτάνιο 7 βαθμού 30–35 kW/m2 Ο κύκλος βοηθά στη μείωση της σωρευτικής βλάβης. Ο βαθμός 7 προσφέρει περιθώριο επαναπαθητοποίησης. Η χαμηλωμένη ροή αυξάνει την επιφάνεια του θερμαντήρα κατά 15 έως 25 τοις εκατό.
Bromide >800 ppm, υπάρχουν στάσιμες ζώνες (χαμηλή-θέρμανση δεξαμενής ροής) Βαθμού 7 ή Βαθμού 12 20-25 kW/m2 Συντηρητικός σχεδιασμός για ασφάλεια. Χρειάζεστε μεγαλύτερο μήκος θερμαντήρα ή περισσότερες από μία θερμάστρες. Απαιτεί ακριβότερο κεφάλαιο.
Πλούσια σε βρωμιούχο-άλμη με υδρόθειο (H2S > 50 ppm) Οποιαδήποτε ποιότητας τιτανίου Λιγότερο ή ίσο με 20 kW/m2 Τα θειούχα ανταγωνίζονται την οξείδωση. Απαιτείται πολύ ελάχιστη ροή. Δείτε άλλα υλικά (π.χ. τιτάνιο-παλλάδιο με καθοδική προστασία).
Μηχανική πέρα ​​από τη ροή θερμότητας

Η ταχύτητα ροής δεν πρέπει να αγνοηθεί κατά την αξιολόγηση της ροής θερμότητας. Για ταχύτητες κάτω από 0,3 m/s, το πάχος του οριακού στρώματος αυξάνεται, αυξάνοντας τη θερμοκρασία της επιφάνειας του σωλήνα για την ίδια ροή θερμότητας κατά 5-8 βαθμούς επιπλέον. Αυτό μειώνει αποτελεσματικά τη μέγιστη επιτρεπόμενη ροή κατά 15-20%. Η αντίδραση εξαρτάται επίσης από το πάχος του τοιχώματος, καθώς τα παχύτερα τοιχώματα αυξάνουν την περίοδο διάδοσης του λάκκου, αλλά όχι το κατώφλι έναρξης. Επομένως, για γεωθερμικά ρευστά πλούσια σε βρωμίδιο-είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται χαμηλότερη ροή θερμότητας με συμβατικό τοίχωμα 1,0 mm παρά να αυξάνεται το πάχος του τοιχώματος σε 1,5 mm χωρίς να επηρεάζεται η πυκνότητα ισχύος. Η συχνή παρακολούθηση του δυναμικού οξείδωσης-μείωσης της άλμης (ORP) παρέχει μια πρώιμη προειδοποίηση: μια πτώση του ORP κάτω από +200 mV έναντι Ag/AgCl κοντά στην επιφάνεια του σωλήνα προηγείται της έναρξης της διάνοιξης.

Διευκρινίζοντας με βεβαιότητα

Ο αγοραστής θα πρέπει να καθορίσει μια πιστοποιημένη μέγιστη επιτρεπόμενη ροή θερμότητας με βάση τη χημεία της πραγματικής άλμης ή τις τυπικές δοκιμές (ASTM G78 για διάβρωση ρωγμών με εφαρμοσμένη ροή θερμότητας) κατά την επιλογή ενός θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου για γεωθερμικά υγρά με βρωμίδιο- και να ελέγξει ότι αυτό εκτελείται από τον προμηθευτή. Χρησιμοποιήστε τιτάνιο βαθμού 7 όταν το βρωμίδιο υπερβαίνει τα 500 ppm ή όταν η λειτουργική αβεβαιότητα απαιτεί περιθώριο ασφαλείας. Ο σχεδιασμός της συστοιχίας θερμαντήρα θα πρέπει να ελαχιστοποιεί την επιφανειακή ροή θερμότητας σε λιγότερο από 30 kW/m2 για τις περισσότερες περιπτώσεις, χρησιμοποιώντας μακρύτερα ή πολυάριθμα θερμαντικά στοιχεία αντί υψηλότερης πυκνότητας watt. Αυτή η συντηρητική μέθοδος μετατρέπει τον θερμαντήρα τιτανίου από εξάρτημα υψηλού κινδύνου σε αξιόπιστο στοιχείο σε ένα από τα πιο δύσκολα βιομηχανικά ρευστά περιβάλλοντα.