Lorsqu'une tige chauffante en titane est utilisée pour surchauffer la vapeur à 250 degrés et 10 bars, quelle est la contamination maximale autorisée par l'oxygène dans la vapeur pour éviter la formation de flocons d'oxyde non adhérents ?

Le titane est protecteur dans la vapeur surchauffée à 250°C et 10 bars, formant une couche de dioxyde de titane (TiO2). Cependant, la contamination de la vapeur par l'oxygène au-delà de la dissociation typique de la vapeur d'eau augmente l'oxydation et affecte la morphologie du tartre. L'excès d'oxygène conduit à la production d'une couche épaisse et multicouche comprenant du TiO₂ et des sous-oxydes tels que Ti₂O₃ et TiO. Ce tartre n'est pas-adhérent et s'écaille facilement, produisant des flocons d'oxyde qui peuvent contaminer les équipements en aval tels que les turbines, les vannes et les échangeurs de chaleur. La contamination par l'oxygène ne doit pas dépasser 10 parties par million en volume (10 cm3 d'O2 par m3 de vapeur) pour éviter le développement de flocons d'oxyde non adhérents. La balance s'effrite entre 500 et 1 000 heures de fonctionnement au-dessus de ce niveau.

Mécanisme d'effritement du tartre induit par l'oxygène- dans la vapeur surchauffée

Réaction normale d'oxydation à la vapeur à 250 degrés Ti + 2H2O → TiO2 + 2H2. Avec l'oxygène supplémentaire, la réaction est Ti + O 2 → TiO 2 . Le taux d'oxydation est proportionnel à la racine carrée de la pression partielle d'oxygène. L'oxyde résultant est plus épais, plus poreux et contient des micro-fissures. Cela est dû à des stress de croissance plus rapides. L'épaisse calamine poreuse s'écaille facilement lors du refroidissement ou du cycle thermique en raison de l'inadéquation de la dilatation thermique entre l'oxyde et le titane métallique. Les flocons d'oxyde écaillés sont transportés par le flux de vapeur et peuvent endommager les équipements en aval. Les régions écaillées révèlent du nouveau titane qui s'oxyde rapidement. Cela conduit à une croissance cyclique du tartre et à un effritement.

Adhérence et effritement sur l'échelle quantitative par rapport à la concentration en oxygène

Les caractéristiques du tartre pour le titane de grade 2 ont été développées pour diverses quantités de contamination par l'oxygène lors d'essais contrôlés dans de la vapeur surchauffée à 250 degrés et 10 bars pendant 1 000 heures. Lorsque la teneur en oxygène est inférieure à 1 ppm (vapeur pure), l'épaisseur du tartre est de 2 à 5 µm, le tartre est adhérent et gris foncé et aucun effritement ne se produit après 1 000 heures. Avec 1 à 5 ppm d'oxygène, l'épaisseur du tartre augmente jusqu'à 5 à 10 μm. La calamine est adhérente avec des fissures superficielles mineures et aucun écaillage n’est observé. À des concentrations d'oxygène de 5 à 10 ppm, l'épaisseur du tartre est de 10 à 20 µm, le tartre commence à se diviser sur les bords et de petits flocons inférieurs à 0,1 mm apparaissent occasionnellement, ce qui convient à la plupart des applications industrielles. Oxygène 10–25 ppm Épaisseur du tartre 20–40 µm Écaillage du tartre 20–40 % de la surface après 500 heures Flocons créés 0,1–0,5 mm Ceci ne convient pas aux systèmes à vapeur propre. Lorsque la teneur en oxygène est supérieure à 25 ppm, l'épaisseur du tartre est supérieure à 50 μm, un écaillage important se produit après 100 à 200 heures et de gros flocons de plus de 0,5 mm sont créés, ce qui ne convient à aucun système à vapeur.

Effets de la température et de la pression de la vapeur sur la tolérance à l'oxygène.

La limite admissible de concentration en oxygène diminue à mesure que la température et la pression de la vapeur augmentent. L'oxygène autorisé pour le tartre adhésif est de 25 ppm à 200 degrés et la limite de 8 bars soit une épaisseur de tartre de 5 à 10 µm. À 250 degrés et 10 bars, l'oxygène admissible est réduit à 10 ppm avec une épaisseur de tartre de 10 à 20 µm. À 300 degrés et 20 bars, avec une épaisseur de tartre de 15 à 30 µm, la concentration maximale d'oxygène autorisée est encore réduite à 5 ppm. L'oxygène admissible à 350 degrés et 40 pressions n'est que de 2 ppm avec une épaisseur de tartre de 20 à 40 µm. À 400 degrés et 80 de pression, la concentration d'oxygène autorisée est de 1 ppm et l'épaisseur du tartre est de 30 à 50 μm. Une température plus élevée augmente la cinétique d’oxydation, donc un contrôle plus strict de l’oxygène empêche l’écaillage.

Guide de contrôle de la contamination par l'oxygène dans les systèmes à vapeur surchauffée

Radiateurs en titane de grade 2. Le tableau ci-joint indique les recommandations relatives aux concentrations maximales autorisées d'oxygène dans la vapeur surchauffée en fonction des exigences de service et de la sensibilité des équipements en aval aux flocons d'oxyde.

Exigence de service en aval Sensibilité aux flocons d'oxyde O2 maximum autorisé (ppm) Épaisseur de tartre prévue après 1 000 heures (µm) Risque d'écaillage
Vapeur propre pour aliments ou produits pharmaceutiquesTrès élevée<1 None 2-5
Faible sensibilité aux flocons pour vapeur industrielleFaible<5 5 – 10 Low
Vapeur industrielle, ok pour quelques floconsModéré<10 10-20 Moderate
Service non critiqueFaible<25 20–40 High (likely flakes)
>50 Severe >25 Tout Inacceptable
Contrôle de la concentration d'oxygène : au-delà de l'ingénierie :

The grade of titanium has no major influence on the scale spalling at 250 °C, as Grade 2 and Grade 7 react equally in these conditions. Wall thickness is a metal loss allowance, 2.0 mm wall with a 0.01 mm per year oxidation loss, for 1,000 hours of operation, would last 200 years. The velocity of the steam flow effects the flake removal, high speeds (>20 m/sec) peut déloger les écailles même si elles sont ostensiblement fixées. Les flocons détachés peuvent être éliminés par une purge périodique à la vapeur à 50 m/s pendant 1 h avant qu'ils ne s'accumulent. Un analyseur d'oxygène dans la conduite de vapeur surveille en permanence et une alerte réglée à 8 ppm d'O₂ permet de prendre des mesures correctives avant la limite de 10 ppm.

Créer une spécification bien informée

Pour un bâton chauffant en titane destiné à surchauffer la vapeur à 250 degrés et 10 bars, la teneur en oxygène dans la source de vapeur doit être inférieure à 5 ppm pour les applications de vapeur propre ou inférieure à 10 ppm pour un usage industriel. Installez un analyseur d'oxygène en ligne avec une alarme à 8 ppm et un verrouillage qui coupe l'alimentation du chauffage ou arrête le système si l'oxygène est supérieur à 15 ppm. Systèmes existants avec des niveaux d'O2 > 10 ppm Réduire la température de la vapeur à 200 degrés pour permettre 25 ppm d'O₂ Installer un système de désoxygénation Lors de la mise en service, vérifier la surface du réchauffeur après 100 heures de fonctionnement. Si des flocons d'oxyde sont visibles, réduisez la concentration d'oxygène ou la température. Le maintien de la contamination par l'oxygène en dessous de 10 ppm inhibe la production de flocons d'oxyde non adhérents qui contamineraient les équipements en aval et dégraderaient la durée de vie des réchauffeurs en service de vapeur surchauffée.