Za procesne inženjere odgovorne za električne uranjajuće grijače u reaktorima s omotačem i autoklavima, zahtjevi za termičkim ciklusom serijske hemijske obrade stvaraju jedinstvene uslove zamora koji se rijetko viđaju u kontinuiranom radu. Reaktor može kružiti od 20 do 200 stepeni i nazad više puta dnevno, pri čemu se brzina zagrijavanja kontrolira zahtjevima hemijske reakcije. Debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 fundamentalno mijenja odgovor na napon{5}}deformacije na ove cikluse. Kontraintuitivno, debeo zid od 2,5 mm može propasti zbog plastičnog udara-progresivnog nagomilavanja naprezanja u jednom smjeru sa svakim ciklusom-dok tanak zid od 1,2 mm ostaje elastičan i opstaje neograničeno. Ovaj članak identifikuje specifičnu kombinaciju frekvencije termičkog ciklusa i temperaturne delte pri kojoj plašt od 2,5 mm 316 pokvari prije plašta od 1,2 mm u servisu grijanja reaktora s omotačem.
Mehanizam plastičnog zatezanja u omotaču{0}}debelih zidova
Čegrtanje plastike nastaje kada komponenta doživi ciklično termičko naprezanje koje premašuje granicu tečenja materijala u jednom smjeru, ali ne i obrnuto. Za plašt 316 sa-debelim zidovima koji prolazi kroz brzo zagrijavanje, vanjska površina se širi više od unutrašnje površine, stvarajući tlačni napon izvana i vlačni napon iznutra. Ako ovo naprezanje premašuje prinos, materijal se plastično deformira. Tokom hlađenja, vanjska površina se skuplja brže, mijenjajući smjer naprezanja. Ako napon hlađenja ne premašuje prinos, materijal se ne vraća u potpunosti u prvobitno stanje. Sa svakim ciklusom grijanja, mali porast vlačne deformacije se akumulira na unutrašnjoj površini. Nakon hiljada ciklusa, ova deformacija može doseći 5-10%, uzrokujući stanjivanje i eventualno pucanje. Za 1,2 mm tanak zid, temperaturni gradijent preko zida je mnogo manji, tako da termičko naprezanje ostaje ispod prinosa i pri grijanju i pri hlađenju, što rezultira bez začepljenja. Kritični parametar je Biotov broj-odnos unutrašnjeg provodnog otpora prema vanjskom konvektivnom otporu. Za debele zidove u medijima niske{15}}konvekcije kao što su viskozni reaktorski fluidi, Biotov broj premašuje prag za začepljenje.
Kvantitativni pragovi za neuspjeh pri čegrtanju
Analiza konačnih elemenata 316 omotača u reaktorskom servisu s plaštom s prirodnom konvekcijom prijenosa topline (koeficijent od 200 W/m²·K) utvrđuje sljedeće pragove. Za zid od 2,5 mm, začepljenje počinje kada temperaturna delta po ciklusu pređe 120 stepeni, a brzina grejanja pređe 5 stepeni u minuti. Pri delti od 150 stepeni i brzini zagrevanja od 10 stepeni u minuti, deformacija začepljenja po ciklusu je približno 0,02%. Nakon 10.000 ciklusa, ukupna akumulirana deformacija dostiže 2%, uzrokujući mjerljivo stanjivanje zidova. Nakon 25.000 ciklusa, deformacija dostiže 5%, sa vidljivim pucanjem. Za zid od 1,2 mm pod identičnim uslovima, vršno toplotno naprezanje je samo 120 MPa-znatno ispod granice tečenja od 200 MPa od 316 na 150 stepeni -tako da ne dolazi do začepljenja. Na temperaturnim deltama iznad 180 stepeni, zid od 1,2 mm počinje da se pomera, ali zid od 2,5 mm pokvari pri delti od 130 stepeni. Stoga je kritična delta za inverziju začepljenja 120–140 stepeni. Ispod ovog raspona, ni zidne čegrtaljke. Iznad ovog raspona, zid od 2,5 mm začepljuje dok zid od 1,2 mm ostaje elastičan do mnogo veće delte.
Kritični pragovi začepljenja za 316 debljina zida omotača
Sljedeća tabela daje kritičnu temperaturnu deltu i kombinaciju brzine zagrijavanja pri kojoj počinje plastično začepljenje za različite debljine stijenke omotača od 316 u reaktoru s omotačem. Vrijednosti pretpostavljaju prirodnu konvekciju u viskoznom fluidu (200 W/m²·K) i maksimalnu radnu temperaturu od 200 stepeni.
| Debljina zida plašta | Minimalna temperaturna delta za početak začepljenja | Minimalna stopa grijanja za začepljenje na 150 stepeni Delta | Naprezanje začepljenja po ciklusu na 150 stepeni Delta, 10 stepeni /min | Ciklusi do 2% akumulacije deformacija | Ciklusi do kvara (5% naprezanje) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 – 1,0 mm | Iznad 180 stepeni | Iznad 20 stepeni/min | Nema ispod 180 stepeni | Nije primjenjivo | Nije primjenjivo |
| 1,2 – 1,4 mm | Iznad 170 stepeni | Iznad 15 stepeni/min | Nema ispod 170 stepeni | Nije primjenjivo | Nije primjenjivo |
| 1,6 – 1,8 mm | 150 – 160 stepeni | 12 – 15 stepeni /min | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2,0 – 2,2 mm | 130 – 140 stepeni | 8 – 10 stepeni /min | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2,5 – 2,8 mm | 120 – 130 stepeni | 5 – 8 stepeni/min | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
Za šaržni reaktor koji kruži od 20 stepeni do 200 stepeni (delta od 180 stepeni) dva puta dnevno, godišnji broj ciklusa je približno 730 ciklusa. Na ovoj delti, omotač od 2,5 mm bi akumulirao 0,025–0,035% deformacije po ciklusu, dostižući 2% deformacije nakon 5.000–8.000 ciklusa, ili 7–11 godina. Plašt od 1,2 mm ne bi imao začepljenja i otkazao bi samo zbog drugih mehanizama kao što su korozija ili zamor od vibracija. Za reaktore s bržim brzinama zagrijavanja-kao što su oni koji koriste cirkulaciju vrućeg ulja ili paru-početak začepljenja se javlja na nižim deltama. Reaktor koji se zagreva od 50 stepeni do 200 stepeni na 20 stepeni u minuti stvara deltu od 150 stepeni, ali veoma visok toplotni gradijent. U ovim uslovima, omotač od 2,5 mm može pokvariti za samo 2000 ciklusa (3 godine po dva ciklusa dnevno), dok omotač od 1,2 mm ostaje siguran.
Modifikacije dizajna kako bi se spriječilo začepljenje
Kada je 316 plašt sa-debelim zidovima potreban za zadržavanje pritiska ili smanjenje korozije u radu cikličkog reaktora, tri modifikacije dizajna mogu spriječiti plastično čegrtanje. Prvi je ograničiti brzinu grijanja. Smanjenje brzine rampe sa 10 stepeni u minuti na 3 stepena u minuti smanjuje prolazni toplotni gradijent za približno 60%, održavajući naprezanja ispod nosivosti čak i za zid od 2,5 mm. Druga modifikacija je da se reaktor prethodno zagrije na minimalnu temperaturu pripravnosti od 80 stepeni umjesto da se hladi na ambijentalnu. Smanjenje delte sa 180 stepeni na 100 stepeni potpuno eliminiše začepljenje bez obzira na debljinu zida. Treća modifikacija je specifikacija materijala sa nižim termičkim širenjem i većom granom tečenja na temperaturi. Incoloy 800H ima koeficijent termičke ekspanzije od 14 × 10⁻⁶ / stepen u poređenju sa 17 × 10⁻⁶ / stepen za 316, i održava veću čvrstoću na 200 stepeni. Ova kombinacija smanjuje termički stres za približno 25% za istu debljinu dela i zida. Za većinu primjena šaržnih reaktora, odabirom debljine stijenke od 1,2-1,6 mm u potpunosti se izbjegava začepljenje dok se osigurava dovoljna mehanička čvrstoća. Inženjeri koji automatski određuju debele zidove za "izdržljivost" u cikličnom radu mogu nehotice odabrati dizajn koji prerano otkaže zbog začepljenja. Ispravna specifikacija zahtijeva analizu očekivane delte ciklusa i stope zagrijavanja, zatim odabir najtanjeg zida koji ispunjava zahtjeve za pritisak i koroziju. Ako ste u nedoumici, zatražite analizu začepljenja od proizvođača grijača koristeći modeliranje konačnih elemenata specifičnih uvjeta ciklusa. Dobavljač koji ne može dati ovu analizu možda neće razumjeti jedinstvene mehanizme kvara omotača sa debelim{31}}zidovima u cikličnoj termičkoj službi.
