Dans les réchauffeurs de saumure de dessalement (flash à plusieurs -étages) à 120 degrés avec de la saumure désaérée, quelle épaisseur de paroi en titane de grade 2 empêche les dommages causés par l'hydrogène ?

Les réchauffeurs de saumure de dessalement flash à plusieurs étages (MSF) fonctionnent à 110-120 degrés avec de la saumure désaérée (oxygène dissous<20 ppb). Deaeration is required to prevent corrosion of the carbon steel components, but it provides a reducing environment for titanium. The passive layer of titanium is less stable in high temperature chloride brine without oxygen and hydrogen can be absorbed from water reduction ( 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − ) . Hydrogen absorption causes brittle hydride (TiH₂) formation, leading to hydrogen damage-cracking and embrittlement without significant wall weakening. In this article the minimal wall thickness to avoid hydrogen damage over a typical 10 years campaign of a desalination plant is established.

Mécanisme de dommages causés par l'hydrogène dans la saumure désaérée
Dans la saumure aérée, l'oxygène est réduit à la surface du titane, gardant le potentiel noble et empêchant le dégagement d'hydrogène. En saumure désaérée (oxygène<20 ppb) the cathodic reaction is shifted to water reduction. Atomic hydrogen formed at the surface may permeate into the titanium lattice Hydrogen atoms concentrate in areas of tensile stress (welds, tube bends, inflated tube ends). Titanium hydride precipitates when the local concentration surpasses the solid solubility (about 150 ppm at 120°C). Hydride platelets are brittle and microcracking occurs. Such process results in crack propagation followed by tube perforation or fracture due to further hydrogen absorption.

Le taux d’absorption de l’hydrogène dépend de la température, de la chimie de la saumure et de l’état de la surface du titane. Absorbe l'hydrogène dans la saumure MSF à 120 degrés (70 000-80 000 ppm Cl-, désaéré) 0,05-0,15 ppm/h Grade 2

Le temps nécessaire à la concentration en hydrogène est critique
À partir du niveau d'hydrogène initial de 30-50 ppm (recuit Grade 2), la durée pour atteindre le seuil critique de 150 ppm est : absorption nécessaire=100-120 ppm. En supposant un taux d'absorption moyen de 0,10 ppm/heure, durée=100 / 0.10=1 000 heures. À 0,15 ppm par heure, durée = 100/0.15=667 heures.

Des délais aussi courts (1 à 2 mois) montrent que le grade 2 se fragiliserait rapidement dans une saumure désaérée à 120 degrés. Cependant, dans la pratique, les réchauffeurs de saumure MSF utilisent de la saumure désaérée avec de l'oxygène résiduel (10 à 20 ppb) et fonctionnent souvent dans des conditions légèrement oxydantes à la surface du titane en raison de la chloramine ou d'autres additifs. Dans les plantes réelles, les taux d'absorption sont plus faibles, de 0,01 à 0,05 ppm par heure, de sorte qu'il faut 2 000 à 10 000 heures (3 à 12 mois) pour atteindre la concentration critique. C'est encore trop lent pour un service à long terme.

Épaisseur de paroi d'atténuation
Aucune épaisseur de paroi ne constitue une barrière à l'absorption de l'hydrogène. L'hydrogène se diffuse dans le titane indépendamment de l'épaisseur de la paroi. Des parois plus épaisses fournissent plus de matériau pour résister à la fissuration des hydrures avant la perforation. Une fois l’hydrure formé, les fissures traversent le mur. Plus le mur est épais, plus il faudra de temps pour se fissurer.

Pour le grade 2 dans une saumure désaérée à 120 degrés, le lien entre l'épaisseur de la paroi et le temps de perforation dû aux dommages causés par l'hydrogène (après le début de l'absorption) est raisonnablement linéaire :

Épaisseur de paroi (mm) Temps jusqu'à l'apparition d'une fissure par l'hydrure (mois) Temps entre l'initiation et la perforation (mois) Durée de vie totale (mois)
0,9 mm 3-6 1-2 4-8 1.2 mm 3-6 2-3 5-9 1.65 mm 3-6 3-5 6-11 2.0 mm 3-6 4-6 7-12
2,5 mm 3-6 5-8 8-14
Aucune épaisseur de paroi ne donnera une durée de vie de 10 ans car l'absorption d'hydrogène n'est pas arrêtée. La fissuration commencera au bout de quelques mois, quelle que soit l’épaisseur utilisée. Des parois plus épaisses retardent la perforation mais n’empêchent pas la rupture.

Autres options
Une épaisseur de paroi accrue ne donne pas une durée de vie à long terme, d'autres étapes sont donc nécessaires :

Oxygène résiduel : L'oxygène dissous doit être supérieur à 50 ppb (moins de 200 ppb pour limiter la corrosion de l'acier au carbone). Cela rend la réaction cathodique de réduction de l'oxygène. Cela supprime le dégagement d'hydrogène.

Utilisez de la chloramine ou d'autres oxydants : ajoutez 0,5 à 2 ppm de chloramine à la saumure pour agir comme un oxydant cathodique.

Mise à niveau vers le grade 7 : le palladium (0,12-0,25 %) catalyse la réduction de l'oxygène même à de très faibles concentrations d'oxygène et supprime l'absorption de l'hydrogène. Le grade 7 en saumure désaérée à 120 degrés absorbe l'hydrogène<0.005 ppm per hour, providing 10+ year life.

* Inversion de protection cathodique : Attachez le titane à un métal plus noble (platine ou or) pour déplacer le potentiel dans la plage de réduction de l'oxygène. Pas pratique pour les radiateurs MSF.

Matrice d’application des réchauffeurs de saumure MSF
État de la saumure Oxygène dissous (ppb) Qualité de titane recommandée Épaisseur de paroi Durée de vie prévue
Désaéré (MSF typique)<20 ppb Grade 7 1.2-1.65 mm 10-15 years
Désaéré avec ajout de chloramine<20 ppb + 1 ppm ClO2- Grade 2 or Grade 7 1.65 mm 8-12 years (Grade 2)
Faible teneur en oxygène (condition perturbée) 20-50 ppb Grade 2 2.0 mm 3-5 ans
Aerated (maintenance bypass) >200 ppb Nuance 2 1.65 mm 10+ ans (bien que l'acier au carbone se corrode)
Le titane de grade 2 ne convient pas aux réchauffeurs de saumure de dessalement MSF à 120 degrés avec de la saumure désaérée (oxygène<20 ppb) regardless of wall thickness. Hydride cracking 6-12 months; perforation 6-14 months depending on wall thickness due to hydrogen absorption. This service requires grade 7 titanium (Ti-0.15Pd). Standard 1.2-1.65 mm wall gives 10-15 year life. The higher cost of Grade 7 is offset by the lack of hydrogen damage. If Grade 2 must be used (e.g., existing plant), keep dissolved oxygen above 50 ppb or add chloramine to suppress hydrogen evolution. Specify seamless tubing for new MSF plants, pickled finish, Grade 7. "Don't just use wall thickness as a shield against hydrogen damage in deaerated high temperature brine. Perform annual hydrogen monitoring using sacrificial Grade 2 coupon analysis for hydrogen content and replace heaters if the hydrogen content exceeds 100 ppm (below the critical threshold of 150 ppm) to avoid an unexpected failure.