Steam-katkosskenaario
Kemiallisen reaktorin lämmitysjärjestelmä menettää höyryn paineen kattilan laukeamisen vuoksi. Reaktori sisältää prosessinestettä 120 asteessa. Lämmönvaihdin, hetki aiemmin 143 asteen sisäisessä höyryn lämpötilassa, alkaa jäähtyä, kun reaktorin neste ottaa lämpöä. Jäähtyminen on nopeaa-höyrytila, joka on nyt paineeton, voi vetää sisään ympäröivää ilmaa, mikä nopeuttaa jäähtymistä. 15-20 minuutissa vaihdin saavuttaa reaktorin nesteen lämpötilan 120 astetta. Kun höyry palautuu 45 minuutin kuluttua, vaihdin lämmitetään nopeasti uudelleen.
Tämä suunnittelematon lämpösykli-143 astetta 120 asteeseen ja takaisin alle tunnissa-on suhteellisen lievä ohimenevä lämpöshokin standardien mukaan. Silti tietyille materiaaleille tällaisten transientien toistuva kertyminen laitoksen vuosien aikana aiheuttaa progressiivisia vahinkoja.
Emaloitu (lasi{0}}vuorattu) teräs ja PTFE reagoivat näihin transientteihin täysin erilaisten mekanismien kautta. Lasivuoraus, hauras keramiikka, joka on sulatettu sitkeäseen teräsalustaan, kehittää jännitystä lasi-teräsrajapinnassa jokaisen lämpösyklin aikana. PTFE, homogeeninen viskoelastinen polymeeri, mukautuu lämpörasitukseen molekyylirelaksaation kautta ilman, että se kerää rajapintajännitystä.
Lasin-teräksen terminen yhteensopimattomuusmekanismi
Lasi{0}}vuorattu teräs on komposiitti kahdesta materiaalista, joilla on erilaiset lämpölaajenemiskertoimet: borosilikaattilasista noin 3-6 × 10⁻⁶/aste ja hiiliteräksestä noin 12-15 × 10⁻⁶/aste. 2-5× ero tarkoittaa, että minkä tahansa lämpötilan muutoksen aikana teräs laajenee tai supistuu enemmän kuin lasi. Leikkausjännitys kehittyy lasin ja teräksen rajapinnassa.
Normaalien, hitaiden lämpötilan muutosten aikana-hallittu lämpö-nousu ja jäähtyminen- 2-3 astetta minuutissa – jännitys pysyy lasin murtumisrajan alapuolella. Lasivuoraukseen kohdistuu puristusjännitys ympäristön lämpötilassa (suunniteltu, valmistusprosessista), mikä tarjoaa marginaalin vetomurtoa vastaan.
Nopean höyrykatkostransientin aikana lämpötilan muutos on suunniteltua nopeampi. Teräs supistuu nopeammin kuin lasi kestää rajoitetun elastisen jännityksensä vuoksi. Puristusesijännitys-lasissa on osittain keventynyt. Seuraavassa uudelleenlämmityksessä teräs laajenee nopeammin kuin lasi, mikä saattaa aiheuttaa lasin jännitystä. Tämän jännityksen vaihtamisen toistuvat jaksot aiheuttavat mikro-halkeamia olemassa olevissa lasivioissa-, kuplia, sulkeumia tai pinnan naarmuja huollosta.
| Lämpöväsymisparametri | Emaloitu (lasi{0}}vuorattu) teräs | PTFE |
|---|---|---|
| Materiaalin rakenne | Hauras lasi sitkeällä teräksellä | Homogeeninen viskoelastinen polymeeri |
| Lämpölaajenemisen yhteensopimattomuus | Kyllä (lasi 3-6, teräs 12-15 × 10⁻⁶/aste) | Ei käytössä (homogeeninen) |
| Stressi nopean jäähdytyksen aikana | käyttöliittymä leikkaus; lasi saattaa kiristää | Ei mitään (viskoelastinen rentoutus) |
| Halkeilun alkamispaikat | Olemassa olevia lasivirheitä | Ei mitään (ei vikoja) |
| Halkeaman leviäminen | Hauras; kerran aloitettuaan, se kasvaa jokaisen syklin myötä | Ei sovellu (ei halkeamismekanismia huoltojännityksissä) |
| Vikatila | Lasin halkeilu; teräksen altistuminen; korroosio | Asteittainen hiipuminen |
| Turvalliset lämpösyklit ennen vaurioita | 500-2 000 (vioista riippuen) | >100 000 (ei keräämistä) |
| Tarkastus vaurioiden varalta | Kipinätestaus vaaditaan | Ultraääni paksuuden mittaus |
PTFE-asuntomekanismi
PTFE reagoi lämpötilan muutokseen viskoelastisella muodonmuutoksella. Polymeeriketjut, joilla on korkea molekyyliliikkuvuus lasisiirtymän yläpuolella olevissa lämpötiloissa, järjestäytyvät uudelleen sopeutuakseen lämpöjännitykseen. Rajapinnoille ei kerry jännitystä, koska rajapintoja ei ole,-materiaali on homogeeninen. Halkeamia ei synny, koska venymä on materiaalin elastisuusrajan alapuolella transienttiin liittyvillä venytysnopeuksilla.
Höyrykatkosskenaarion 23 asteen lämpötilan muutos (143 astetta 120 asteeseen) tuottaa noin 0,28 % lämpöjännityksen PTFE:ssä (120 × 10-⁶/aste × 23 astetta). Tämä jännitys on suuruusluokkaa pienempi kuin PTFE:n 2-3 % elastisuusraja näissä lämpötiloissa. Materiaali reagoi elastisesti ja palautuu täydellisesti, kun lämpötila palaa normaaliksi.
Toistuvat höyrykatkosjaksot eivät kerää vaurioita PTFE:hen. Jokainen sykli on itsenäinen tapahtuma, joka jättää materiaalin ennalleen. Ne 15-20 tällaista tapahtumaa, jotka tyypillinen kemiantehdas saattaa kokea vuosikymmenen aikana, ovat paljon alle kestävyysrajan.
Huollon ja tarkastuksen ero
Lasi{0}}vuorattu teräs vaatii määräajoin kipinätestauksen, jotta voidaan havaita halkeamia ja roiskeita lasivuorauksessa. Steam-katkostapahtuma voi aiheuttaa mikro-halkeamia, joita ei voida havaita kipinätestauksella välittömästi tapahtuman jälkeen, mutta jotka leviävät seuraavien viikkojen ja kuukausien aikana. Vahinko voidaan havaita vasta seuraavan aikataulun mukaisen tarkastuksen aikana-tai ennen kuin vuoto ilmenee.
PTFE vaatii ultraäänipaksuusmittauksen seuratakseen virumisharvennusta. Mittaus on nopea, määrällinen, eikä lämpötransienttihistoria vaikuta siihen. Mitään piilotettua vahinkoa ei ole havaittavissa.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet kestävät emaloitua terästä pohjimmiltaan lämpöväsymystä höyrykatkoksista ja nopeista jäähtymistapahtumista. Homogeeninen viskoelastinen polymeeri kestää lämpöjännitystä ilman jännityksen kertymistä, kun taas lasi-vuorattu teräs kehittää rajapintojen leikkausjännitystä, joka voi aiheuttaa ja levittää halkeamia lasivaurioissa. PTFE eliminoi kipinätestauksen tarpeen ja riskin havaitsemattomista vuorauksen vaurioista, jotka voivat johtaa teräskuoren korroosioon.
Tekninen tuki PTFE:n vs. emaloidun teräksen materiaalien valinnalle lämpösyklisissä palveluissa on saatavilla, kun toimitetaan normaalit ja poikkeavat lämpötila-alueet, syklien tiheys, prosessikemia ja nykyiset laitteiden tarkastustiedot.
