内部充填剤の汚染はどのようにして PTFE 浸漬ヒーターの故障を引き起こすのでしょうか?

化学プラントでは、14 か月の稼働後に 5 kW PTFE 浸漬ヒーターを交換しました。ヒーターは導通テストに合格しており、シースには目に見える亀裂はありませんでした。しかし、絶縁抵抗が5MΩを下回り、地絡トリップが頻繁に発生するようになった。分析のためにユニットを切り開いたところ、内部の充填材が変色し、酸化鉄、硫酸塩化合物、湿気で汚染された固化物が付着していました。-充填剤は遅い浸透経路を通じてプロセス化学物質を吸収し、汚染により内部の断熱材が破壊されました。

内部充填材-酸化マグネシウムまたは同様のセラミック-は、抵抗素子を金属シースから分離する電気絶縁体です。 PTFE 浸漬ヒーターでは、充填剤はポリマーの外側シースによってプロセス流体から保護されています。その保護が-わずかでも損なわれると-、フィラーが次の防御線となり、湿気や化学的攻撃に対する耐性が限られます。

PTFE浸漬ヒーター構造におけるフィラーの役割

酸化マグネシウムは、高い絶縁耐力、良好な熱伝導率、および高温での適度な安定性を備えているため、発熱体の絶縁に選択されます。抵抗素子と金属シースの間の空間に圧縮され、緻密な電気絶縁バリアを形成します。

-高品質の MgO フィラーは、純度 99% 以上、密度 3.0 g/cm3 以上です。受け取った状態では疎水性であるため、吸湿しにくくなります。ただし、MgO は吸湿性があり、-機会があれば、大気またはプロセス流体から水を吸収します。水は吸収されると絶縁抵抗を低下させ、MgO と反応して絶縁耐力が低い水酸化マグネシウムを形成する可能性があります。

湿気および化学汚染前後のフィラー特性

プロセス化学物質が充填剤に到達する仕組み

フィラーは、PTFE シースを通過する浸透、端子シールでの侵入、シースの機械的破損という 3 つの経路による汚染に対して脆弱です。

透過は最も遅い経路ですが、攻撃的な化学反応では最も一般的です。水分子、酸種、および溶存イオンは、何か月も稼働すると PTFE を通って拡散します。この速度は、温度、化学的性質、およびシースの厚さに依存します。汚染物質は PTFE を通過するとフィラーに移行し、フィラーと反応して絶縁特性が低下します。

端子シールの侵入により、湿気とプロセス流体が低温ゾーンに入り、加熱セクションに向かってフィラーを下って移動します。この経路は浸透よりも速いですが、通常は端子近くのヒーターの上部にのみ影響します。

機械的欠陥{0}}亀裂、えぐり、またはピンホール-があると、プロセス流体と充填剤が直接接触します。汚染は急速かつ局所的に発生し、通常、ヒーターは数日から数週間以内に故障します。

汚染経路と PTFE 浸漬ヒーターフィラーへの影響

フィラーを劣化させる化学反応

水分が MgO に到達すると、反応して水酸化マグネシウムが形成されます: MgO + H2O → Mg(OH)2。水酸化マグネシウムは、MgO よりも絶縁耐力が低く、熱伝導率も低くなります。この反応は発熱性であり、熱が発生し、分解がさらに加速される可能性があります。

酸種が MgO に到達すると、反応してマグネシウム塩が形成されます。硫酸は、可溶性で導電性のある硫酸マグネシウムを形成します。塩酸は塩化マグネシウムを形成しますが、これも可溶性であり、抵抗素子に対する腐食性が高くなります。これらの塩はフィラーの導電性を高め、抵抗線を腐食する可能性があります。

湿気と酸の組み合わせは特に有害です。酸は MgO を溶解し、さらなる侵入を可能にする空隙と経路を作り出します。抵抗素子がプロセス化学物質にさらされ、ヒーターが内部から故障します。

フィラー汚染の症状

汚染されたフィラーは、他の故障モードと区別する特徴的な一連の症状を引き起こします。

絶縁抵抗は数週間から数か月かけて徐々に低下します。通常、減少は単調です。-各測定値は前回よりも低くなります。安定した測定値の後に突然低下した場合は、機械的な破損など、別の問題を示しています。

汚染が進行すると、地絡トリップの頻度が高くなります。最初のトリップは、通常の運用が数か月続いた後に発生する可能性があります。その後のトリップはより接近して発生し、最終的にはリセット時にヒーターが直ちにトリップします。

汚染が破損部付近に集中している場合、シースに変色や柔らかい水膨れが見られる場合があります。ただし、浸透による汚染では、フィラーが著しく劣化している場合でも、シースは無傷に見えることがよくあります。-

一般的な PTFE 浸漬ヒーターの故障モードの症状の比較

フィラー汚染の防止

最も効果的な予防策は、PTFE シースを無傷の状態に保ち、端子筐体を密閉した状態に保つことです。これは、シース温度を安全な限度内に保つワット密度を選択し、適切な浸漬深さを維持し、ヒーターに損傷の兆候がないか定期的に検査することを意味します。

-吸湿性が低い高密度 MgO フィラーは、標準フィラーよりも優れた耐汚染性を備えています。一部のメーカーは、水や化学物質の吸収を遅らせる耐湿性コーティングまたは疎水性添加剤を施した MgO を提供しています。-

乾燥剤パックまたはブリーザベントを備えた密閉型端末エンクロージャにより、コールドエンドでの湿気の侵入が軽減されます。シールはメンテナンス間隔ごとに検査し、圧縮されたり亀裂が入ったりした場合は交換する必要があります。

フィラーの汚染が仕様上の問題を示す場合

同じタンク内でフィラーの汚染による故障が繰り返される場合は、ヒーターが設計限界を超える条件で動作していることを示しています。高温、攻撃的な化学反応、または高いワット密度により、浸透が加速され、汚染されるまでの時間が短縮されます。厚いシース、低いワット密度、改善された密閉性を備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成により、汚染が発生するまでの時間が延長されます。仕様プロセスでは、浴の化学的性質、動作温度、シースの厚さ、および以前のヒーターの故障履歴が必要です。