蒸気停止のシナリオ
化学反応器加熱システムは、ボイラーのトリップにより蒸気圧力を失います。反応器には 120 度のプロセス流体が入っています。熱交換器は、直前に内部蒸気温度が 143 度に達し、反応器流体が熱を奪うにつれて冷却を開始します。冷却は急速です-減圧された蒸気空間は周囲の空気を引き込み、冷却を加速する可能性があります。 15 ～ 20 分以内に、熱交換器は反応器流体温度 120 度に達します。 45 分後に蒸気が回復すると、熱交換器は急速に再加熱されます。
この計画外の熱サイクル-143 度から 120 度に上昇し、1 時間以内に戻る-は、熱衝撃の基準からすると比較的穏やかな過渡現象です。しかし、特定の材料では、長年にわたるプラントの運転中にそのような過渡現象が繰り返し蓄積されると、進行性の損傷が引き起こされます。
ほうろう（ガラス-ライニング）鋼と PTFE は、根本的に異なるメカニズムを通じてこれらの過渡現象に対応します。延性鋼基材に融着された脆性セラミックであるグラスライニングは、熱サイクルごとにガラス-鋼の界面に応力を発生させます。均質な粘弾性ポリマーである PTFE は、界面応力を蓄積することなく分子緩和を通じて熱ひずみに適応します。
ガラス-スチールの熱不整合メカニズム
グラスライニング鋼-は、異なる熱膨張係数を持つ 2 つの材料の複合材料です。ホウケイ酸ガラスは約 3-6 × 10-6/度、炭素鋼は約 12～15 × 10-6/度です。 2 ～ 5 倍の差は、温度変化中、鋼鉄はガラスよりも大きく膨張または収縮することを意味します。せん断応力はガラスと鋼の界面で発生します。
通常のゆっくりとした温度変化では、毎分 2-3 度で加熱と冷却が制御され、-加熱と冷却が制御され、-応力はガラスの破壊閾値未満に保たれます。グラスライニングは周囲温度で圧縮応力下にあり (製造プロセスによる設計により)、引張破壊に対するマージンを提供します。
急速な蒸気停止過渡現象中、温度変化は設計基準よりも速くなります。鋼鉄は、ガラスがその限られた弾性歪みに対応できるよりも速く収縮します。ガラス内の圧縮予応力は部分的に緩和されます。-その後再加熱すると、スチールはガラスよりも速く膨張し、ガラスに張力がかかる可能性があります。この応力反転のサイクルが繰り返されると、ガラスの既存の欠陥、気泡、介在物、または使用による表面の傷に微小な亀裂が生じます。{{5}{6}}
| 熱疲労パラメータ | ホーロー（ガラスライニング）スチール | PTFE |
|---|---|---|
| 材料構造 | ダクタイル鋼上の脆性ガラス | 均質な粘弾性ポリマー |
| 熱膨張の不一致 | あり (ガラス 3-6、スチール 12-15 × 10⁻⁶/度) | 該当なし (均質) |
| 急冷時の応力 | 界面せん断。ガラスが引っ張られる可能性があります | なし（粘弾性緩和） |
| 亀裂開始部位 | 既存のガラス欠陥 | なし（欠陥がないこと） |
| 亀裂の伝播 | 脆い;一度開始されると、サイクルごとに成長します | 該当なし (使用時のひずみ時に亀裂のメカニズムがない) |
| 故障モード | ガラスの剥離。鋼の露出。腐食 | 段階的なクリープシンニング |
| 損傷する前の安全な熱サイクル | 500-2,000 (欠陥に応じて) | >100,000（累積なし） |
| 損傷の検査 | スパークテストが必要です | 超音波厚さ測定 |
PTFE の適応メカニズム
PTFE は粘弾性変形によって温度変化に応答します。ポリマー鎖は、ガラス転移温度を超える温度で高い分子運動性を有するため、熱ひずみに適応するために再組織化されます。界面がないため、界面に応力が蓄積しません-材料は均質です。過渡現象に伴うひずみ速度におけるひずみが材料の弾性限界を下回っているため、亀裂は発生しません。
蒸気停止シナリオの 23 度の温度変化 (143 度から 120 度) は、PTFE に約 0.28% の熱ひずみ (120 × 10-6/度 × 23 度) を生成します。このひずみは、これらの温度における PTFE の 2 ～ 3% の弾性限界よりも 1 桁低い値です。この素材は弾性的に反応し、温度が通常に戻ると完全に回復します。
蒸気停止サイクルを繰り返しても、PTFE には損傷が蓄積されません。各サイクルは独立したイベントであり、マテリアルは変更されません。一般的な化学プラントが 10 年間に経験する可能性のあるこのようなイベントが 15 ～ 20 回発生するのは、耐久限界をはるかに下回ります。
保守と点検の違い
グラスライニング鋼-では、グラスライニングの亀裂や剥離を検出するために定期的な火花試験が必要です。蒸気停止イベントが発生すると、イベント直後の火花試験では検出できない微小亀裂が発生する場合がありますが、その後数週間、数か月にわたって亀裂が広がります。-損傷は、次に予定されている検査まで、または漏れが発生するまで発見されない可能性があります。-
PTFE では、クリープ減肉を追跡するために超音波厚さ測定が必要です。測定は迅速かつ定量的であり、熱過渡履歴の影響を受けません。発見できるような隠れた損傷はありません。
まとめ
PTFE 熱交換器は基本的に、エナメル鋼よりも蒸気停止や急冷現象による熱疲労に対する耐性が優れています。均質な粘弾性ポリマーは応力を蓄積することなく熱ひずみに対応しますが、グラスライニング鋼は界面せん断応力を発生させ、ガラス欠陥で亀裂が発生し伝播する可能性があります。 PTFE を使用すると、火花試験の必要がなく、スチールシェルの腐食につながる可能性のある未検出のライニング損傷のリスクがなくなります。
熱サイクルサービスにおける PTFE とエナメル鋼材の選択に関するエンジニアリングサポートは、通常および異常温度範囲、サイクル頻度、プロセス化学、および現在の機器検査記録を提出することで利用できます。
