Scenario prekida rada Steam-a
Sistem grijanja hemijskog reaktora gubi pritisak pare zbog opadanja kotla. Reaktor sadrži procesnu tečnost na 120 stepeni. Izmjenjivač topline, nekoliko trenutaka ranije na 143 stepena unutrašnje temperature pare, počinje da se hladi dok reaktorski fluid izvlači toplotu. Hlađenje je brzo-parni prostor, sada bez pritiska, može uvući okolni zrak koji ubrzava hlađenje. U roku od 15-20 minuta, izmjenjivač dostiže temperaturu reaktorskog fluida od 120 stepeni. Kada se para vrati 45 minuta kasnije, izmjenjivač se brzo ponovno zagrijava.
Ovaj neplanirani termalni ciklus-od 143 stepena do 120 stepeni i nazad za manje od sat vremena-je relativno blagi prolazni proces prema standardima termičkog šoka. Ipak, za određene materijale, ponavljano nakupljanje takvih prolaznih pojava tokom godina rada postrojenja uzrokuje progresivno oštećenje.
Emajlirani (staklo-obloženi) čelik i PTFE reaguju na ove tranzijente kroz fundamentalno različite mehanizme. Staklena obloga, lomljiva keramika spojena sa duktilnom čeličnom podlogom, razvija naprezanje na dodirnoj površini stakla-čelika sa svakim termičkim ciklusom. PTFE, homogeni viskoelastičan polimer, prilagođava termičko naprezanje kroz molekularnu relaksaciju bez akumuliranja međufaznog naprezanja.
Mehanizam termičke neusklađenosti stakla{0}}čelika
Čelik obložen staklom-kompozit je od dva materijala s različitim koeficijentima toplinske ekspanzije: borosilikatnog stakla pri približno 3-6 × 10⁻⁶/stepeni i ugljičnog čelika pri približno 12-15 × 10⁻⁶/ stepenu. Razlika od 2-5× znači da se tokom bilo koje promjene temperature čelik širi ili skuplja više od stakla. Naprezanje na smicanje se razvija na sučelju staklo-čelik.
Tokom normalnih, sporih promjena temperature-kontrolirano zagrijavanje-zagrijava se i hladi-pri 2-3 stepena u minuti – napon ostaje ispod praga loma stakla. Staklena obloga je pod tlačnim naprezanjem na temperaturi okoline (po dizajnu, iz proizvodnog procesa), što pruža marginu protiv loma na istezanje.
Tokom brzog prolaznog nestanka pare, promjena temperature je brža od projektne osnove. Čelik se skuplja brže nego što staklo može prihvatiti zbog svog ograničenog elastičnog naprezanja. Kompresivno prednaprezanje u staklu je djelimično rasterećeno. Prilikom naknadnog zagrijavanja, čelik se širi brže od stakla, potencijalno stavljajući staklo u napetost. Ponavljani ciklusi ovog preokretanja naprezanja pokreću mikro-pukotine na postojećim defektima u staklenim-mjehurićima, inkluzijama ili površinskim ogrebotinama od upotrebe.
| Parametar termičkog zamora | Emajlirani (stakleni{0}}obloženi) čelik | PTFE |
|---|---|---|
| Struktura materijala | Krhko staklo na duktilnom čeliku | Homogeni viskoelastičan polimer |
| Neusklađenost termičke ekspanzije | Da (staklo 3-6, čelik 12-15 × 10⁻⁶/ stepen) | N/A (homogeno) |
| Stres tokom brzog hlađenja | Interface shear; staklo može doći u napetost | Nema (viskoelastična relaksacija) |
| Mjesta inicijacije pukotina | Postojeći defekti stakla | Nema (bez nedostataka) |
| Propagacija pukotine | Brittle; kada se jednom započne, raste sa svakim ciklusom | Nije primjenjivo (bez mehanizma pucanja pri naprezanjima u radu) |
| Režim greške | Staklo lomljenje; izloženost čelika; korozija | Postepeno stanjivanje puzanja |
| Sigurni termički ciklusi prije oštećenja | 500-2.000 (ovisno o kvaru) | >100.000 (bez akumulacije) |
| Pregled oštećenja | Potrebno testiranje varnica | Ultrazvučno mjerenje debljine |
Mehanizam smještaja PTFE
PTFE reaguje na promjenu temperature viskoelastičnom deformacijom. Polimerni lanci, sa svojom visokom molekularnom mobilnošću na temperaturama iznad staklene tranzicije, reorganiziraju se kako bi se prilagodili termičkom naprezanju. Na sučeljima se ne akumulira napon jer nema međusklopa-materijal je homogen. Pukotine se ne pokreću jer je naprezanje ispod granice elastičnosti materijala pri brzinama deformacija povezanih s prijelaznim procesom.
Promjena temperature od 23 stepena u scenariju nestanka pare (143 stepena do 120 stepeni) proizvodi termičko opterećenje od približno 0,28% u PTFE-u (120 × 10⁻⁶/ stepen × 23 stepena). Ova deformacija je reda veličine ispod granice elastičnosti od 2-3% za PTFE na ovim temperaturama. Materijal reagira elastično, s potpunim oporavkom kada se temperatura vrati na normalu.
Ponovljeni ciklusi isključenja pare ne akumuliraju oštećenja u PTFE-u. Svaki ciklus je nezavisan događaj koji ostavlja materijal nepromijenjen. 15-20 takvih događaja koje tipična hemijska fabrika može doživjeti tokom jedne decenije daleko je ispod granice izdržljivosti.
Razlika u održavanju i inspekciji
Čelik obložen staklom{0}} zahtijeva periodično ispitivanje varnicom kako bi se otkrile pukotine i prskanja u staklenoj oblogi. Događaj nestanka pare može stvoriti mikro-pukotine koje se ne mogu otkriti testiranjem iskri odmah nakon događaja, ali koje se šire u narednim sedmicama i mjesecima. Šteta se možda neće otkriti do sljedeće zakazane inspekcije-ili dok se ne pojavi curenje.
PTFE zahtijeva ultrazvučno mjerenje debljine kako bi se pratilo stanjivanje puzanja. Mjerenje je brzo, kvantitativno i na njega ne utiče historija termičkih prijelaza. Nema skrivenih oštećenja za otkrivanje.
Rezime
PTFE izmjenjivači topline u osnovi su otporniji od emajliranog čelika na termički zamor zbog nestanka pare i brzog hlađenja. Homogeni viskoelastični polimer podnosi termičko naprezanje bez akumulacije naprezanja, dok čelik obložen staklom{1}} razvija međufaznu smičnu napetost koja može inicirati i širiti pukotine na defektima stakla. PTFE eliminira potrebu za ispitivanjem varnica i rizik od neotkrivenog oštećenja obloge koje može dovesti do korozije čelične školjke.
Inženjerska podrška za odabir materijala od PTFE u odnosu na emajlirani čelični materijal u termički ciklusnom servisu dostupna je nakon podnošenja raspona normalnih i poremećenih temperatura, učestalosti ciklusa, hemije procesa i trenutnih zapisa o inspekciji opreme.
