תרחיש הפסקת הקיטור
מערכת חימום בכור כימי מאבדת את לחץ הקיטור עקב פעולת הדוד. הכור מכיל נוזל תהליך ב-120 מעלות. מחליף החום, רגע קודם לכן בטמפרטורת קיטור פנימית של 143 מעלות, מתחיל להתקרר כאשר נוזל הכור שואב חום. הקירור מהיר-חלל הקיטור, כעת מדוכא לחץ, עלול לשאוב אוויר סביבה שמאיץ את הקירור. תוך 15-20 דקות, המחליף מגיע לטמפרטורת נוזל הכור של 120 מעלות. כאשר הקיטור משוחזר כעבור 45 דקות, המחליף מתחמם במהירות.
המחזור התרמי הלא מתוכנן הזה-מ-143 מעלות ל-120 מעלות ובחזרה תוך פחות משעה-הוא חולף קל יחסית בסטנדרטים של הלם תרמי. עם זאת, עבור חומרים מסוימים, הצטברות חוזרת ונשנית של חוליות כאלה לאורך שנים של פעילות המפעל גורמת לנזק מתקדם.
פלדה מצופה אמייל (-מצופה זכוכית) ו-PTFE מגיבים לחולפים אלה באמצעות מנגנונים שונים מהותית. בטנת הזכוכית, קרמיקה שבירה שהתמזגה למצע פלדה רקיע, מפתחת מתח בממשק פלדת הזכוכית- בכל מחזור תרמי. PTFE, פולימר ויסקו-אלסטי הומוגני, מתאים למתח התרמי באמצעות הרפיה מולקולרית מבלי לצבור מתח משטחי.
מנגנון אי-ההתאמה התרמי של פלדה-זכוכית
פלדה מרופדת- בזכוכית היא מרכיב של שני חומרים בעלי מקדמי התפשטות תרמית שונים: זכוכית בורוסיליקט ב-3-6 × 10⁻⁶/מעלה בקירוב ופלדת פחמן ב-12-15 × 10⁻⁶/מעלה בקירוב. ההפרש של 2-5× אומר שבמהלך כל שינוי טמפרטורה, הפלדה מתרחבת או מתכווצת יותר מהזכוכית. מתח גזירה מתפתח בממשק זכוכית-פלדה.
במהלך שינויי טמפרטורה רגילים ואיטיים-בחימום-מעלה והתקררות-ב-2-3 מעלות לדקה - הלחץ נשאר מתחת לסף השבר של הזכוכית. רירית הזכוכית נמצאת בלחץ דחיסה בטמפרטורת הסביבה (על פי תכנון, מתהליך הייצור), מה שמספק מרווח נגד כשל במתיחה.
בזמן הפסקת קיטור מהירה, שינוי הטמפרטורה מהיר יותר מהבסיס התכנון. הפלדה מתכווצת מהר יותר ממה שהזכוכית יכולה להכיל באמצעות המתח האלסטי המוגבל שלה. לחץ הקדם הלחיצה- בכוס מוקל חלקית. בחימום חוזר לאחר מכן, הפלדה מתרחבת מהר יותר מהזכוכית, מה שעלול להציב את הזכוכית במתח. מחזורים חוזרים ונשנים של היפוך מתח זה גורמים למיקרו-סדקים בפגמים קיימים בבועות-של הזכוכית, תכלילים או שריטות פני השטח מהשירות.
| פרמטר עייפות תרמית | פלדה מצופה באמייל (זכוכית-). | PTFE |
|---|---|---|
| מבנה החומר | זכוכית שבירה על פלדה רקיעה | פולימר ויסקו אלסטי הומגני |
| אי התאמה של התפשטות תרמית | כן (זכוכית 3-6, פלדה 12-15 × 10⁻⁶/מעלה) | לא רלוונטי (הומוגנית) |
| לחץ במהלך קירור מהיר | גזירת ממשק; זכוכית עלולה להיכנס למתח | אין (הרפיה ויסקו אלסטית) |
| אתרי ייזום סדקים | פגמים קיימים בזכוכית | אין (ללא פגמים) |
| התפשטות הסדקים | שָׁבִיר; לאחר התחלה, גדל עם כל מחזור | לא ישים (ללא מנגנון סדק בזני שירות) |
| מצב כשל | שיפול זכוכית; חשיפה לפלדה; קורוזיה | דלדול זחילה הדרגתי |
| מחזורים תרמיים בטוחים לפני נזק | 500-2,000 (תלוי פגמים) | >100,000 (ללא הצטברות) |
| בדיקת נזקים | נדרשת בדיקת ניצוץ | מדידת עובי אולטרסאונד |
מנגנון הלינה של PTFE
PTFE מגיב לשינוי בטמפרטורה באמצעות עיוות ויסקו אלסטי. שרשראות הפולימר, עם הניידות המולקולרית הגבוהה שלהן בטמפרטורות מעל מעבר הזכוכית, מתארגנות מחדש כדי להכיל את המתח התרמי. אין לחץ מצטבר בממשקים כי אין ממשקים-החומר הומוגני. לא מתחילים סדקים מכיוון שהמתח נמצא מתחת לגבול האלסטי של החומר בשיעורי המתח הקשורים לחולף.
שינוי הטמפרטורה של 23 מעלות בתרחיש הפסקת הקיטור (143 מעלות עד 120 מעלות) מייצר מתח תרמי של כ-0.28% ב-PTFE (120 × 10⁻⁶/מעלה × 23 מעלות). זן זה הוא בסדר גודל מתחת לגבול האלסטי של 2-3% עבור PTFE בטמפרטורות אלו. החומר מגיב בצורה אלסטית, עם התאוששות מלאה כאשר הטמפרטורה חוזרת לשגרה.
מחזורי הפסקת קיטור חוזרים אינם צוברים נזקים ב-PTFE. כל מחזור הוא אירוע עצמאי המשאיר את החומר ללא שינוי. 15-20 אירועים כאלה שצמח כימי טיפוסי עשוי לחוות במשך עשור נמצאים הרבה מתחת לגבול הסיבולת.
ההבדל בתחזוקה ובדיקה
פלדה מרופדת-מזכוכית דורשת בדיקת ניצוץ תקופתית כדי לזהות סדקים וריסים בבטנת הזכוכית. אירוע של הפסקת קיטור עלול ליצור מיקרו-סדקים שאינם ניתנים לזיהוי על ידי בדיקת ניצוץ מיד לאחר האירוע, אך מתפשטים במהלך השבועות והחודשים הבאים. ייתכן שהנזק לא יתגלה עד לבדיקה המתוכננת הבאה-או עד שתתפתח דליפה.
PTFE דורש מדידת עובי אולטרסאונד כדי לעקוב אחר דילול זחילה. המדידה מהירה, כמותית ואינה מושפעת מהיסטוריית חולפים תרמית. אין נזק נסתר לגלות.
תַקצִיר
מחליפי חום PTFE עמידים ביסודו מפלדה מצופה אמייל לעייפות תרמית כתוצאה מהפסקת קיטור ואירועי קירור מהירים. הפולימר הויסקו-אלסטי ההומוגני מתאים למתח תרמי ללא הצטברות מתח, בעוד שפלדה מרופדת בזכוכית מפתחת מתח גזירה משטחי שיכול ליזום ולהפיץ סדקים בפגמי זכוכית. PTFE מבטל את הצורך בבדיקת ניצוצות ואת הסיכון לנזק לא מזוהה בבטנה שעלול להוביל לקורוזיה של מעטפת פלדה.
תמיכה הנדסית לבחירת חומרי פלדה מצופים אמייל בשירות תרמית זמינה עם הגשת טווחי טמפרטורות נורמליים ומעורערים, תדירות מחזור, כימיה של התהליך ורישומי בדיקת ציוד נוכחיים.
