ジャケット付き反応器やオートクレーブ内の電気浸漬ヒーターを担当するプロセス エンジニアにとって、バッチ化学処理の熱サイクル要求により、連続使用ではめったに見られない独特の疲労状態が生じます。反応器は、化学反応の需要によって加熱速度が制御され、20 度から 200 度まで 1 日に複数回循環します。 316 ステンレス鋼シースの壁の厚さは、これらのサイクルに対する応力-ひずみの応答を根本的に変化させます。直観に反しますが、厚い 2.5 mm の壁はプラスチックのラチェット現象によって破損する可能性があります-各サイクルで一方向に徐々に蓄積するひずみ-ですが、薄い 1.2 mm の壁は弾性を保ち、永久に存続します。この記事では、ジャケット付き反応器の加熱サービスにおいて、2.5 mm 316 シースが 1.2 mm シースよりも先に故障する、熱サイクル周波数と温度デルタの特定の組み合わせを特定します。
厚肉シースのプラスチックラチェット機構-
塑性ラチェット現象は、部品が一方向に材料の降伏強度を超え、逆方向には及ばない周期的な熱応力を受けると発生します。厚肉の 316 シースが急速加熱されると、外面が内面よりも大きく膨張し、外側に圧縮応力、内側に引張応力が生じます。この応力が降伏を超えると、材料は塑性変形します。冷却中、外面はより急速に収縮し、応力の方向が逆転します。冷却応力が降伏を超えない場合、材料は元の状態に完全には戻りません。加熱サイクルごとに、引張歪みがわずかに増加して内面に蓄積します。数千サイクル後、このラチェット歪みは 5 ～ 10% に達し、薄化や最終的に亀裂の原因となることがあります。 1.2 mm の薄い壁の場合、壁全体の温度勾配がはるかに小さいため、加熱と冷却の両方で熱応力が降伏値を下回ったままとなり、ラチェット現象が発生しません。重要なパラメータはビオ数-であり、内部伝導抵抗と外部対流抵抗の比です。粘性の反応器流体などの低対流媒体内の厚い壁の場合、ビオ数はラチェットの閾値を超えます。
ラチェット障害の定量的しきい値
自然対流熱伝達 (係数 200 W/m²・K) を使用するジャケット付き反応器の 316 シースの有限要素解析により、次の閾値が確立されました。 2.5 mm の壁の場合、サイクルごとの温度デルタが 120 度を超え、加熱速度が 1 分あたり 5 度を超えるとラチェットが始まります。デルタが 150 度、加熱速度が 1 分あたり 10 度の場合、1 サイクルあたりのラチェット歪みは約 0.02% です。 10,000 サイクル後、蓄積されたひずみの合計は 2% に達し、測定可能なほどの壁の薄化が発生します。 25,000 サイクル後、ひずみは 5% に達し、目に見える亀裂が生じます。同一条件下での 1.2 mm の壁の場合、ピーク熱応力はわずか 120 MPa-であり、150 度での 316 の降伏強度 200 MPa を大幅に下回っています-ため、ラチェット現象は発生しません。温度デルタが 180 度を超えると、1.2 mm の壁はラチェット現象を起こし始めますが、2.5 mm の壁はデルタが 130 度で破損します。したがって、ラチェット反転の臨界デルタは 120 ～ 140 度です。この範囲を下回ると壁ラチェットも使用されません。この範囲を超えると、2.5 mm の壁がラチェットを動かし、1.2 mm の壁はより大きなデルタになるまで弾性を保ちます。
316 のシース壁厚に対する臨界ラチェットしきい値
次の表は、ジャケット付き反応器の使用においてさまざまな 316 シースの壁厚でプラスチックのラチェットが開始される臨界温度デルタと加熱速度の組み合わせを示しています。値は、粘性流体内の自然対流 (200 W/m²・K) および最大動作温度 200 度を想定しています。
| シース壁の厚さ | ラチェット開始の最小温度デルタ | 150 度デルタでのラチェットの最小加熱速度 | 150 度デルタでのサイクルあたりのラチェットひずみ、10 度/分 | 2%のひずみ蓄積までのサイクル | 故障までのサイクル (5% ひずみ) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8～1.0mm | 180度以上 | 20度以上/分 | 180 度未満なし | 適用できない | 適用できない |
| 1.2～1.4mm | 170度以上 | 15度/分以上 | 170 度未満なし | 適用できない | 適用できない |
| 1.6～1.8mm | 150～160度 | 12～15度/分 | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2.0～2.2mm | 130～140度 | 8～10度/分 | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2.5～2.8mm | 120～130度 | 5～8度/分 | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
20 度から 200 度 (デルタ 180 度) を 1 日に 2 回サイクルするバッチ反応器の場合、年間サイクル数は約 730 サイクルになります。このデルタでは、2.5 mm シースには 1 サイクルあたり 0.025 ～ 0.035% のひずみが蓄積され、5,000 ～ 8,000 サイクルまたは 7 ～ 11 年後には 2% のひずみに達します。 1.2 mm のシースではラチェット現象は発生せず、腐食や振動疲労などの他のメカニズムによってのみ破損します。高温の油循環や蒸気を使用する反応器など、加熱速度が速い反応器では-、ラチェットの開始はより低いデルタで発生します。 50 度から 200 度まで毎分 20 度で加熱する反応器は、150 度のデルタを生成しますが、非常に高い熱勾配が生じます。このような条件下では、2.5 mm シースはわずか 2,000 サイクル (1 日 2 サイクルで 3 年) で故障する可能性がありますが、1.2 mm シースは安全なままです。
ラチェット現象を防止するための設計変更
サイクリック反応炉の使用において圧力封じ込めや腐食代を確保するために厚肉の 316 シースが必要な場合、3 つの設計変更によりプラスチックのラチェット現象を防ぐことができます。- 1 つ目は、加熱速度を制限することです。ランプ速度を毎分 10 度から毎分 3 度に下げると、一時的な熱勾配が約 60% 減少し、2.5 mm の壁でも応力が降伏値未満に保たれます。 2 番目の変更は、反応器を周囲温度まで冷却するのではなく、最低スタンバイ温度 80 度まで予熱することです。デルタを 180 度から 100 度に減らすと、壁の厚さに関係なくラチェット現象が完全に排除されます。 3 番目の変更は、熱膨張が低く、温度での降伏強度が高い材料を指定することです。インコロイ 800H の熱膨張係数は 316 の 17 × 10-6 / 度に比べて 14 × 10-6 / 度であり、200 度でも高い強度を維持します。この組み合わせにより、同じデルタと壁厚の場合、熱応力が約 25% 減少します。ほとんどのバッチ反応器用途では、1.2 ～ 1.6 mm の壁厚を選択すると、十分な機械的強度を提供しながらラチェット動作を完全に回避できます。周期的な使用における「耐久性」のために厚い壁を自動的に指定するエンジニアは、ラチェットによって早期に破損する設計を誤って選択してしまう可能性があります。正しい仕様には、予想されるサイクルデルタと加熱速度を分析し、圧力と腐食の要件を満たす最も薄い壁を選択する必要があります。疑問がある場合は、特定のサイクル条件の有限要素モデリングを使用したラチェット解析をヒーター メーカーに依頼してください。この分析を提供できないサプライヤーは、周期的な熱供給における厚肉シースの特有の故障メカニズムを理解していない可能性があります。{31}}
