A Steam kimaradási forgatókönyve
A vegyi reaktor fűtési rendszere a kazán kioldása miatt veszít gőznyomásból. A reaktor 120 fokos technológiai folyadékot tartalmaz. A hőcserélő pillanatokkal korábban 143 fokos belső gőzhőmérsékleten megkezdi a hűtést, amikor a reaktorfolyadék hőt von ki. A lehűlés gyors,-a most nyomásmentesített gőztér beszívhatja a környezeti levegőt, ami felgyorsítja a lehűlést. 15-20 percen belül a hőcserélő eléri a 120 fokos reaktorfolyadék hőmérsékletét. Amikor 45 perc elteltével a gőz visszaáll, a hőcserélő gyorsan felmelegszik.
Ez a nem tervezett hőciklus -143 fokról 120 fokra, és kevesebb mint egy óra alatt- a hősokk szabványai szerint viszonylag enyhe tranziens. Mégis, bizonyos anyagok esetében az ilyen tranziensek ismételt felhalmozódása az üzem több éves működése során progresszív károsodást okoz.
A zománcozott (üveggel{0}}bélelt) acél és a PTFE alapvetően eltérő mechanizmusokon keresztül reagál ezekre a tranziensekre. Az üvegbélés, egy törékeny kerámia, amely gömbgrafitos acél hordozóhoz van olvasztott, minden hőciklus során feszültséget fejleszt ki az üveg-acél határfelületén. A PTFE, egy homogén viszkoelasztikus polimer, molekuláris relaxáció révén alkalmazkodik a termikus igénybevételhez anélkül, hogy a felületi feszültséget felhalmozná.
Az üveg-acél termikus eltérési mechanizmusa
Az üveg{0}}bevonatú acél két különböző hőtágulási együtthatóval rendelkező anyagból áll: boroszilikát üvegből körülbelül 3-6 × 10⁻⁶/fok és szénacélból körülbelül 12-15 × 10⁻⁶/fok. A 2-5× különbség azt jelenti, hogy bármilyen hőmérsékletváltozás során az acél jobban kitágul vagy összehúzódik, mint az üveg. Az üveg-acél határfelületen nyírófeszültség alakul ki.
Normál, lassú hőmérséklet-változások-szabályozott felmelegedés-fel- és lehűlés-percenként 2-3 fokkal – a feszültség az üveg törési küszöbe alatt marad. Az üvegbélés környezeti hőmérsékleten nyomó igénybevételnek van kitéve (tervezés szerint, a gyártási folyamattól kezdve), ami védelmet biztosít a szakítósérülés ellen.
Gyors gőzkimaradás esetén a hőmérséklet-változás gyorsabb, mint a tervezési alap. Az acél gyorsabban húzódik össze, mint amennyit az üveg képes befogadni korlátozott rugalmas feszültsége miatt. Az üvegben lévő nyomó{2}}előfeszültség részben enyhül. Az ezt követő újramelegítés során az acél gyorsabban tágul, mint az üveg, ami potenciálisan feszültségbe hozza az üveget. Ennek a feszültség-visszafordításnak az ismételt ciklusai mikro{5}}repedéseket okoznak az üveg-lévő hibáinál, buborékokban, zárványokban vagy felületi karcolásokban a használat során.
| Termikus kifáradási paraméter | Zománcozott (üveg{0}}bélelt) acél | PTFE |
|---|---|---|
| Anyag szerkezete | Törékeny üveg képlékeny acélon | Homogén viszkoelasztikus polimer |
| Hőtágulási eltérés | Igen (üveg 3-6, acél 12-15 × 10⁻⁶/fok) | N/A (homogén) |
| Stressz a gyors hűtés során | Interfész nyírás; az üveg megfeszülhet | Nincs (viszkoelasztikus relaxáció) |
| Repedéskezdeményezési helyek | Meglévő üveghibák | Nincs (nincs hiba) |
| Repedés terjedése | Törékeny; ha egyszer megindul, minden ciklussal növekszik | Nem alkalmazható (nincs repedési mechanizmus az üzemi feszültségeknél) |
| Hiba mód | Üvegrepedések; acél expozíció; korrózió | Fokozatos kúszásritkítás |
| Biztonságos hőciklusok a károsodás előtt | 500-2000 (hibafüggő) | >100 000 (nincs felhalmozás) |
| Sérülések vizsgálata | Szikravizsgálat szükséges | Ultrahangos vastagságmérés |
A PTFE alkalmazkodási mechanizmus
A PTFE viszkoelasztikus deformációval reagál a hőmérséklet-változásra. A polimer láncok, amelyek nagy molekuláris mobilitásukkal rendelkeznek az üvegesedés feletti hőmérsékleten, újraszerveződnek, hogy alkalmazkodjanak a termikus feszültséghez. Az interfészeken nem halmozódik fel feszültség, mivel nincsenek interfészek,{2}}az anyag homogén. Nem keletkezik repedés, mert a nyúlás az anyag rugalmassági határa alatt van a tranzienshez kapcsolódó nyúlási sebességnél.
A gőzkimaradási forgatókönyv 23 fokos hőmérséklet-változása (143 fokról 120 fokra) körülbelül 0,28%-os hőfeszültséget produkál a PTFE-ben (120 × 10-⁶/fok × 23 fok). Ez a nyúlás egy nagyságrenddel a PTFE 2-3%-os rugalmassági határa alatt van ezeken a hőmérsékleteken. Az anyag rugalmasan reagál, teljes helyreállással, amikor a hőmérséklet visszatér a normál értékre.
Az ismételt gőzkimaradási ciklusok nem halmozzák fel a PTFE károsodását. Minden ciklus egy független esemény, amely változatlanul hagyja az anyagot. Az a 15-20 ilyen esemény, amelyet egy tipikus vegyi üzem egy évtizeden keresztül tapasztalhat, jóval a tartóssági határ alatt van.
A karbantartás és az ellenőrzés különbsége
Üvegbevonatú acél-időszakos szikravizsgálatot igényel az üvegbélés repedéseinek és foltjainak kimutatása érdekében. A gőzkimaradási esemény mikro-repedéseket okozhat, amelyek a szikrateszttel közvetlenül az esemény után nem észlelhetők, de a következő hetekben és hónapokban továbbterjednek. Előfordulhat, hogy a kárt csak a következő ütemezett ellenőrzésig,-vagy szivárgásig nem fedezik fel.
A PTFE ultrahangos vastagságmérést igényel a kúszási elvékonyodás nyomon követéséhez. A mérés gyors, kvantitatív, és nem befolyásolja a hőtranziens történet. Nincs felfedezhető rejtett sérülés.
Összegzés
A PTFE hőcserélők alapvetően jobban ellenállnak a gőzkimaradásból és a gyors lehűlésből eredő hőfáradásnak, mint a zománcozott acél. A homogén viszkoelasztikus polimer feszültség-felhalmozódás nélkül alkalmazkodik a termikus igénybevételhez, míg az üveg{1}}bevonatú acél felületi nyírófeszültséget hoz létre, amely repedéseket okozhat és továbbterjed az üveghibáknál. A PTFE kiküszöböli a szikravizsgálat szükségességét, és kiküszöböli a bélés észrevétlen károsodásának kockázatát, amely az acélhéj korróziójához vezethet.
Mérnöki támogatás a PTFE és a zománcozott acél anyagok kiválasztásához a termikus ciklusú szolgáltatásban a normál és felborult hőmérsékleti tartományok, ciklusgyakoriság, folyamatkémiai és aktuális berendezés-ellenőrzési feljegyzések benyújtásával érhető el.
