Scenarij prekida rada Steama
Sustav grijanja kemijskog reaktora gubi tlak pare zbog kvara kotla. Reaktor sadrži procesnu tekućinu na 120 stupnjeva. Izmjenjivač topline, nekoliko trenutaka ranije na unutarnjoj temperaturi pare od 143 stupnja, počinje se hladiti dok reaktorska tekućina izvlači toplinu. Hlađenje je brzo-parni prostor, sada bez tlaka, može uvući okolni zrak koji ubrzava hlađenje. Unutar 15-20 minuta, izmjenjivač postiže temperaturu reaktorske tekućine od 120 stupnjeva. Kada se para uspostavi nakon 45 minuta, izmjenjivač se brzo ponovno zagrijava.
Ovaj neplanirani toplinski ciklus-od 143 stupnja do 120 stupnjeva i natrag za manje od jednog sata-je relativno blaga prijelazna pojava prema standardima toplinskog šoka. Ipak, za određene materijale, opetovano nakupljanje takvih prijelaznih pojava tijekom godina rada postrojenja uzrokuje progresivnu štetu.
Emajlirani (-obloženi staklom) čelik i PTFE reagiraju na ove prijelazne pojave temeljno različitim mehanizmima. Staklena obloga, krhka keramika spojena na duktilnu čeličnu podlogu, stvara naprezanje na sučelju stakla-čelika sa svakim toplinskim ciklusom. PTFE, homogeni viskoelastični polimer, prilagođava se toplinskom naprezanju putem molekularne relaksacije bez nakupljanja naprezanja na površini.
Mehanizam toplinske neusklađenosti stakla-čelika
Čelik obložen staklom je spoj dvaju materijala s različitim koeficijentima toplinskog širenja: borosilikatnog stakla pri približno 3-6 × 10⁻⁶/ stupnju i ugljičnog čelika pri približno 12-15 × 10⁻⁶/ stupnju. Razlika 2-5× znači da se tijekom bilo koje promjene temperature čelik širi ili skuplja više od stakla. Smično naprezanje se razvija na granici staklo-čelik.
Tijekom normalnih, sporih promjena temperature-kontrolirano zagrijavanje-povišenje i hlađenje-na 2-3 stupnja u minuti-naprezanje ostaje ispod praga loma stakla. Staklena obloga je izložena tlačnom naprezanju na temperaturi okoline (prema dizajnu, iz proizvodnog procesa), što osigurava marginu protiv vlačnog loma.
Tijekom brzog nestanka pare, promjena temperature je brža od projektirane osnove. Čelik se skuplja brže nego što staklo može podnijeti zbog svog ograničenog elastičnog naprezanja. Tlačno prednaprezanje u staklu je djelomično smanjeno. Prilikom naknadnog ponovnog zagrijavanja, čelik se širi brže od stakla, što potencijalno dovodi staklo u napetost. Ponovljeni ciklusi ovog preokreta naprezanja pokreću mikro-pukotine na postojećim nedostacima u staklenim-mjehurićima, uključcima ili površinskim ogrebotinama uslijed upotrebe.
| Parametar toplinskog zamora | Emajlirani (staklom-obložen) čelik | PTFE |
|---|---|---|
| Struktura materijala | Krhko staklo na duktilnom čeliku | Homogeni viskoelastični polimer |
| Neusklađenost toplinske ekspanzije | Da (staklo 3-6, čelik 12-15 × 10⁻⁶/ stupanj ) | N/A (homogeno) |
| Stres tijekom brzog hlađenja | Smicanje sučelja; staklo može doći do napetosti | Ništa (viskoelastična relaksacija) |
| Mjesta inicijacije kreka | Postojeći nedostaci stakla | Nema (nema nedostataka) |
| Širenje pukotine | krhak; jednom pokrenut, raste sa svakim ciklusom | Nije primjenjivo (nema mehanizma pucanja pri radnim naprezanjima) |
| Način neuspjeha | lomljenje stakla; izloženost čelika; korozija | Postupno puzanje stanjivanje |
| Sigurni toplinski ciklusi prije oštećenja | 500-2000 (ovisno o kvaru) | >100.000 (bez akumulacije) |
| Pregled oštećenja | Potrebno ispitivanje iskrama | Ultrazvučno mjerenje debljine |
PTFE mehanizam akomodacije
PTFE reagira na promjenu temperature viskoelastičnom deformacijom. Polimerni lanci, sa svojom visokom molekularnom pokretljivošću na temperaturama iznad staklastog prijelaza, reorganiziraju se kako bi se prilagodili toplinskom naprezanju. Nema naprezanja na sučeljima jer nema sučelja-materijal je homogen. Pukotine ne nastaju jer je deformacija ispod granice elastičnosti materijala pri brzinama deformacija koje su povezane s prijelaznim stanjem.
Promjena temperature od 23 stupnja scenarija ispada pare (143 stupnja do 120 stupnjeva ) proizvodi toplinsko naprezanje od približno 0,28% u PTFE (120 × 10⁻⁶/stupanj × 23 stupnja ). Ova deformacija je red 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 prekida pare ne akumuliraju štetu u PTFE-u. Svaki ciklus je nezavisan događaj koji materijal ostavlja nepromijenjenim. 15-20 takvih događaja koje tipična kemijska tvornica može doživjeti tijekom desetljeća daleko su ispod granice izdržljivosti.
Razlika u održavanju i pregledu
Čelik obložen-staklom zahtijeva povremeno ispitivanje iskrom kako bi se otkrile pukotine i lomovi u staklenoj oblogi. Ispad pare može stvoriti mikro-pukotine koje se ne mogu detektirati ispitivanjem iskrenjem odmah nakon događaja, ali koje se šire tijekom sljedećih tjedana i mjeseci. Oštećenje se možda neće otkriti do sljedeće zakazane inspekcije-ili dok ne dođe do curenja.
PTFE zahtijeva ultrazvučno mjerenje debljine za praćenje stanjivanja zbog puzanja. Mjerenje je brzo, kvantitativno i na njega ne utječe povijest toplinskih prijelaza. Nema skrivene štete koju treba otkriti.
Sažetak
PTFE izmjenjivači topline u osnovi su otporniji od emajliranog čelika na toplinski zamor zbog nestanka pare i događaja brzog hlađenja. Homogeni viskoelastični polimer podnosi toplinska naprezanja bez nakupljanja naprezanja, dok čelik obložen staklom razvija međupovršinski smični napon koji može inicirati i širiti pukotine na staklenim defektima. PTFE eliminira potrebu za ispitivanjem iskrenjem i rizik od neotkrivenog oštećenja obloge koje može dovesti do korozije čelične ljuske.
Inženjerska podrška za izbor materijala PTFE naspram emajliranog čelika u toplinski ciklusnoj usluzi dostupna je nakon podnošenja normalnih i poremećenih temperaturnih raspona, učestalosti ciklusa, kemije procesa i trenutnih zapisa o inspekciji opreme.
