Scenarij izpada Steam
Ogrevalni sistem kemičnega reaktorja izgubi tlak pare zaradi izklopa kotla. Reaktor vsebuje procesno tekočino pri 120 stopinjah. Toplotni izmenjevalnik, nekaj trenutkov prej pri notranji temperaturi pare 143 stopinj, se začne ohlajati, ko reaktorska tekočina odvaja toploto. Hlajenje je hitro-prostor za paro, v katerem je zdaj brez tlaka, lahko potegne zrak iz okolice, kar pospeši hlajenje. V 15-20 minutah izmenjevalnik doseže temperaturo reaktorske tekočine 120 stopinj. Ko je para po 45 minutah ponovno vzpostavljena, se izmenjevalnik hitro ponovno segreje.
Ta nenačrtovan toplotni cikel-od 143 stopinj do 120 stopinj in nazaj v manj kot eni uri-je razmeroma blag prehod po standardih toplotnega šoka. Vendar pri nekaterih materialih ponavljajoče se kopičenje takšnih prehodnih pojavov v letih obratovanja elektrarne povzroča progresivno škodo.
Emajlirano (-obloženo s steklom) jeklo in PTFE se odzivata na te prehodne pojave prek bistveno različnih mehanizmov. Steklena obloga, krhka keramika, spojena z duktilno jekleno podlago, z vsakim toplotnim ciklom razvije napetost na vmesniku stekla-jekla. PTFE, homogeni viskoelastičen polimer, se prilagodi toplotni napetosti z molekularno sprostitvijo brez kopičenja napetosti na površini.
Mehanizem toplotnega neskladja stekla-jekla
Jeklo, prevlečeno s steklom, je sestavljeno iz dveh materialov z različnimi koeficienti toplotnega raztezanja: borosilikatnega stekla pri približno 3-6 × 10⁻⁶/ stopinjo in ogljikovega jekla pri približno 12–15 × 10⁻⁶/ stopinjo. Razlika 2-5× pomeni, da se jeklo ob kakršni koli spremembi temperature bolj razširi ali skrči kot steklo. Na meji steklo-jeklo se razvije strižna napetost.
Med običajnimi, počasnimi temperaturnimi spremembami-nadzorovano segrevanje-in{2}}ohlajanje-z 2-3 stopinjami na minuto – napetost ostaja pod pragom loma stekla. Steklena obloga je pod tlačno obremenitvijo pri sobni temperaturi (po zasnovi, iz proizvodnega procesa), kar zagotavlja rezervo proti natezni odpovedi.
Med hitrim prehodnim izpadom pare je sprememba temperature hitrejša od projektne osnove. Jeklo se zaradi svoje omejene elastične obremenitve skrči hitreje, kot lahko prenese steklo. Tlačna pred{2}}napetost v steklu je delno razbremenjena. Pri poznejšem ponovnem segrevanju se jeklo razširi hitreje kot steklo, kar lahko povzroči napetost stekla. Ponavljajoči se cikli tega obrata napetosti sprožijo mikro-razpoke na obstoječih napakah v steklenih-mehurčkih, vključkih ali površinskih praskah zaradi uporabe.
| Parameter toplotne utrujenosti | Emajlirano (stekleno-obloženo) jeklo | PTFE |
|---|---|---|
| Struktura materiala | Krhko steklo na nodularnem jeklu | Homogen viskoelastični polimer |
| Neusklajenost toplotnega raztezanja | Da (steklo 3-6, jeklo 12-15 × 10⁻⁶/stopinja) | N/A (homogeno) |
| Stres med hitrim ohlajanjem | striženje vmesnika; steklo se lahko napne | Brez (viskoelastična sprostitev) |
| Mesta za začetek razpok | Obstoječe napake na steklu | Brez (brez napak) |
| Širjenje razpok | krhka; ko se začne, raste z vsakim ciklom | Ni uporabno (brez mehanizma razpok pri delovnih napetostih) |
| Način okvare | lomljenje stekla; izpostavljenost jeklu; korozija | Postopno redčenje zaradi plazenja |
| Varni toplotni cikli pred poškodbami | 500-2.000 (odvisno od napake) | >100.000 (brez kopičenja) |
| Pregled poškodb | Zahtevano testiranje iskre | Ultrazvočno merjenje debeline |
PTFE akomodacijski mehanizem
PTFE se na temperaturne spremembe odzove z viskoelastično deformacijo. Polimerne verige se s svojo visoko molekularno mobilnostjo pri temperaturah nad posteklenitvenim prehodom reorganizirajo, da se prilagodijo toplotni obremenitvi. Na vmesnikih se ne kopiči napetost, ker vmesnikov ni-material je homogen. Razpoke se ne začnejo, ker je deformacija pod mejo elastičnosti materiala pri stopnjah deformacije, povezanih s prehodom.
Sprememba temperature za 23 stopinj scenarija izpada pare (143 stopinj do 120 stopinj) povzroči toplotno obremenitev približno 0,28 % v PTFE (120 × 10⁻⁶/stopinjo × 23 stopinjo). Ta deformacija je za red velikosti pod mejo elastičnosti 2-3 % za PTFE pri teh temperaturah. Material se odziva elastično in se popolnoma obnovi, ko se temperatura vrne na normalno.
Ponavljajoči se cikli izpada pare ne kopičijo poškodb v PTFE. Vsak cikel je neodvisen dogodek, ki material pusti nespremenjen. 15-20 takšnih dogodkov, ki jih tipična kemična tovarna lahko doživi v desetletju, je daleč pod mejo vzdržljivosti.
Razlika med vzdrževanjem in pregledom
Jeklo,-obloženo s steklom, zahteva občasno testiranje isker, da se odkrijejo razpoke in razpoke v stekleni oblogi. Dogodek izpada pare lahko povzroči mikro-razpoke, ki jih ni mogoče zaznati s testiranjem iskre takoj po dogodku, vendar se širijo v naslednjih tednih in mesecih. Poškodbe morda ne bodo odkrite do naslednjega načrtovanega pregleda-ali dokler ne pride do puščanja.
PTFE zahteva ultrazvočno merjenje debeline za sledenje redčenja zaradi lezenja. Meritev je hitra, kvantitativna in nanjo ne vpliva zgodovina termičnih prehodov. Ni skritih poškodb, ki bi jih bilo treba odkriti.
Povzetek
PTFE toplotni izmenjevalniki so načeloma bolj odporni kot emajlirano jeklo na toplotno utrujenost zaradi izpada pare in hitrega ohlajanja. Homogen viskoelastičen polimer prenese toplotno obremenitev brez kopičenja napetosti, medtem ko jeklo, obloženo s steklom, razvije medfazno strižno napetost, ki lahko sproži in razširi razpoke na okvarah stekla. PTFE odpravlja potrebo po testiranju iskrenja in tveganje neopažene poškodbe obloge, ki lahko povzroči korozijo jeklene lupine.
Inženirska podpora za izbiro materiala PTFE v primerjavi z emajliranim jeklom pri termično ciklični uporabi je na voljo po predložitvi običajnih in motenj temperaturnih območij, frekvence ciklov, procesne kemije in trenutnih zapisov o pregledih opreme.
