Quelle est la dureté totale maximale (en CaCO₃) qu'une gaine chauffante en titane de grade 2 peut tolérer dans une saumure géothermique à 120 degrés sans former de tartre de silicate adhérent ?

Les saumures géothermiques sont riches en calcium, magnésium et autres minéraux ainsi qu'en silice dissoute (SiO2). La silice polymérise à 120 degrés et co-précipite avec les carbonates et silicates de calcium et de magnésium pour former du tartre tenace sur les surfaces chauffantes en titane. Contrairement au tartre de carbonate de calcium, qui peut être dissous par un nettoyage acide, les tartres à base de silicate- tels que le silicate de calcium et le silicate de magnésium résistent à la plupart des acides et nécessitent une élimination mécanique forcée. La plus grande dureté totale (exprimée en CaCO3) qui peut être tolérée par le titane de grade 2 sans formation de tartre de silicate adhérent est fonction du niveau de silice et du rapport calcium-sur-magnésium. Pour la saumure géothermique moyenne contenant 200 à 400 ppm de SiO₂, la dureté globale maximale est de 500 ppm de CaCO₃. Au-dessus de cette température, le tartre de silicate devient adhérent en 500 heures et dégrade rapidement le transfert de chaleur.

Le mécanisme de dépôt de tartre de silicate sur le titane

À 120 degrés, la silice liquide (sous forme de H4SiO4) polymérise en silice colloïdale et éventuellement en silice amorphe. En présence d'ions calcium et magnésium, des incrustations de silicate précipitent directement sur la surface chaude du titane. Le taux de précipitation augmente de façon exponentielle avec la température et la dureté globale. La calamine est amorphe, dure et fortement adhérente par liaison chimique à la couche d'oxyde de titane. Contrairement aux calcaires carbonatés, les calcaires silicatés ne sont pas solubles dans les acides minéraux habituels (HCl, H2SO4, HNO3) en quantités sûres. Seul l'acide fluorhydrique (HF) peut éliminer les incrustations de silicate, mais le HF détruit fortement le titane et le nettoyage chimique n'est donc pas viable. Après sa formation, le tartre de silicate doit être éliminé mécaniquement par grattage ou par jet d'eau à haute pression, ce qui peut endommager la surface du titane.

Formation et respect d'une échelle quantitative en fonction de la dureté totale

Leurs propriétés de tartre se sont révélées différentes par des tests contrôlés dans une saumure géothermique simulée (250 ppm SiO2, pH 7,5, 120 C) avec une dureté totale variable quantifiée en ppm CaCO3 sur une période de 500 heures. Dureté totale inférieure à 200 ppm. L'épaisseur du tartre est de 20 -50 µm. Le tartre est poudreux et non-adhérent. Peut être retiré par rinçage à l'eau. À une dureté de 200 à 400 ppm, l'épaisseur du tartre est de 50 à 100 µm, le tartre est très tenace et son élimination nécessite un brossage, avec une certaine gravure de la surface détectée sous le tartre. À une dureté de 400-600 ppm, la calamine a une épaisseur de 100 à 200 μm, est dure, très adhésive, nécessitant un grattage mécanique pour être éliminée et il y a une corrosion sous-calcaire de 10 à 30 μm après 500 heures. L'épaisseur du tartre est de 200 à 400 µm, le tartre de silicate adhérent se forme en 100 heures, les piqûres sous le tartre sont de 50 à 100 µm et la perte de transfert de chaleur est substantielle. À une dureté de 600 à 800 ppm, la formation de tartre est rapide et tenace à une dureté de 800 ppm. Risque de performance en 1 000 à 2 000 heures.

Tolérance de duretéEffet de la concentration de silice et du rapport Ca:Mg

Plus de silice signifie que moins de dureté totale est autorisée. Si la silice est inférieure à 100 ppm. La dureté maximale pour le tartre non-est de 800 ppm. Le type de tartre est principalement du carbonate de calcium qui peut être éliminé par un nettoyage acide. La dureté maximale n'est que de 600 ppm. La silice est de 100 à 200 ppm. Le tartre est un mélange de carbonate-silicate, et l'élimination se fait par acide + brossage. Silice 200–300 ppm Dureté maximale 500 ppm Le tartre est riche en silicate et modérément adhérent. Le retrait nécessite uniquement un brossage mécanique. Pour le titane, la dureté maximale est de 400 ppm, pour la silice de 300 à 400 ppm. Du tartre de silicate dur se forme et son élimination avec HF n'est pas recommandée. La silice supérieure à 400 ppm donne une dureté maximale de 300 ppm et des formes sévères de tartre de silicate qui ne sont pas éliminées sans endommager le tube. Le rapport calcium/magnésium influence également l'adhérence du tartre, une teneur plus élevée en magnésium produisant des tartres de silicate de magnésium plus tenaces et limitant la dureté admissible de 20 à 30 %.

Guide sur la gestion de la dureté et de la silice pour les chauffe-saumures géothermiques

Le tableau suivant donne des recommandations pour contrôler la formation de tartre sur les réchauffeurs à gaine en titane de grade 2 dans une saumure géothermique à 120 degrés en fonction de la dureté totale et de la concentration de silice.

Dureté totale (ppm CaCO3) Concentration en silicium (ppm) Type de tartre Méthode d'élimination Épaisseur de tartre attendue après 1 000 heures (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 Tout Inacceptable pour le niveau 2 N/AN/A
Ingénierie au-delà de la dureté et du contrôle de la silice

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 diminue l’accumulation de tartre. Les phosphonates ou les polyacrylates sont des inhibiteurs de tartre efficaces pour les tartres de carbonate, mais ont peu d'effet sur les tartres de silicate. L'adoucissement en amont (échange d'ions ou adoucissement à la chaux) pour abaisser la dureté globale à moins de 200 ppm est l'option la plus fiable.

Formulation de spécifications éclairées

Par exemple, un réchauffeur à gaine en titane de grade 2 dans une saumure géothermique à 120 degrés nécessite une analyse complète de la saumure, y compris la dureté totale en CaCO₃ et la concentration de silice. Si la dureté globale est > 400 ppm ou si la silice est > 250 ppm, spécifier un adoucissement en amont pour abaisser la dureté à < 200 ppm. Pour dureté 200-400 ppm et silice<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.