Đối với các kỹ sư quy trình chịu trách nhiệm về thiết bị gia nhiệt ngâm điện trong lò phản ứng có vỏ bọc và nồi hấp, nhu cầu luân nhiệt của quá trình xử lý hóa chất theo mẻ tạo ra các điều kiện mỏi đặc biệt hiếm thấy trong dịch vụ liên tục. Một lò phản ứng có thể quay vòng từ 20 độ đến 200 độ và quay lại nhiều lần trong ngày, với tốc độ gia nhiệt được kiểm soát theo yêu cầu của phản ứng hóa học. Độ dày thành của vỏ thép không gỉ 316 về cơ bản làm thay đổi phản ứng ứng suất-biến dạng đối với các chu kỳ này. Ngược lại, một bức tường dày 2,5 mm có thể bị hỏng do khớp nối bằng nhựa-sự tích tụ dần dần sức căng theo một hướng trong mỗi chu kỳ-trong khi bức tường mỏng 1,2 mm vẫn đàn hồi và tồn tại vô thời hạn. Bài viết này xác định sự kết hợp cụ thể giữa tần số chu kỳ nhiệt và đồng bằng nhiệt độ mà tại đó vỏ bọc 2,5 mm 316 bị hỏng trước vỏ bọc 1,2 mm trong dịch vụ gia nhiệt lò phản ứng có vỏ bọc.
Cơ chế ghép nhựa trong vỏ bọc có thành dày-
Việc ghép nối bằng nhựa xảy ra khi một bộ phận gặp phải ứng suất nhiệt theo chu kỳ vượt quá giới hạn chảy của vật liệu theo một hướng chứ không phải ngược lại. Đối với-vỏ bọc 316 có thành dày trải qua quá trình gia nhiệt nhanh, bề mặt bên ngoài giãn nở nhiều hơn bề mặt bên trong, tạo ra ứng suất nén ở bên ngoài và ứng suất kéo ở bên trong. Nếu ứng suất này vượt quá giới hạn chảy, vật liệu sẽ biến dạng dẻo. Trong quá trình làm mát, bề mặt bên ngoài co lại nhanh hơn, đảo ngược hướng ứng suất. Nếu ứng suất làm mát không vượt quá hiệu suất, vật liệu sẽ không hoàn toàn trở lại trạng thái ban đầu. Với mỗi chu kỳ gia nhiệt, một lượng nhỏ lực căng sẽ tích tụ trên bề mặt bên trong. Sau hàng nghìn chu kỳ, độ căng này có thể đạt tới 5–10%, gây ra hiện tượng mỏng đi và cuối cùng là nứt. Đối với bức tường mỏng 1,2 mm, độ dốc nhiệt độ trên tường nhỏ hơn nhiều, do đó ứng suất nhiệt vẫn ở mức dưới mức sinh ra trong cả quá trình sưởi ấm và làm mát, dẫn đến không bị giật. Thông số quan trọng là số Biot-tỷ lệ giữa điện trở dẫn bên trong và điện trở đối lưu bên ngoài. Đối với các bức tường dày trong môi trường đối lưu thấp{15}}chẳng hạn như chất lỏng nhớt của lò phản ứng, số Biot vượt quá ngưỡng để tăng tốc.
Ngưỡng định lượng cho thất bại trong việc ghép lại
Phân tích phần tử hữu hạn của 316 vỏ bọc trong lò phản ứng có vỏ bọc với truyền nhiệt đối lưu tự nhiên (hệ số 200 W/m2·K) thiết lập các ngưỡng sau. Đối với bức tường 2,5 mm, việc ghép nối bắt đầu khi đồng bằng nhiệt độ trên mỗi chu kỳ vượt quá 120 độ và tốc độ gia nhiệt vượt quá 5 độ mỗi phút. Ở góc đồng bằng 150 độ và tốc độ gia nhiệt 10 độ mỗi phút, biến dạng bánh cóc trên mỗi chu kỳ là khoảng 0,02%. Sau 10.000 chu kỳ, tổng biến dạng tích lũy đạt 2%, gây ra độ mỏng thành có thể đo được. Sau 25.000 chu kỳ, độ biến dạng đạt 5%, có vết nứt rõ ràng. Đối với bức tường 1,2 mm trong các điều kiện giống nhau, ứng suất nhiệt cực đại chỉ là 120 MPa{21}}thấp hơn nhiều so với cường độ chảy 200 MPa của 316 ở 150 độ -nên không xảy ra hiện tượng bẻ khớp. Ở vùng đồng bằng nhiệt độ trên 180 độ, bức tường 1,2 mm bắt đầu gặp hiện tượng giật, nhưng bức tường 2,5 mm không thành công ở vùng đồng bằng 130 độ. Do đó, đồng bằng tới hạn cho việc đảo ngược là 120–140 độ. Dưới phạm vi này, không có bánh cóc tường. Trên phạm vi này, tường 2,5 mm sẽ co giãn trong khi tường 1,2 mm vẫn đàn hồi cho đến khi có đồng bằng cao hơn nhiều.
Ngưỡng bắt vít quan trọng cho độ dày thành vỏ bọc 316
Bảng sau đây cung cấp các kết hợp đồng bằng nhiệt độ tới hạn và tốc độ gia nhiệt mà tại đó việc ghép nhựa bắt đầu đối với các độ dày thành vỏ bọc khác nhau trong dịch vụ lò phản ứng có vỏ bọc. Các giá trị giả định sự đối lưu tự nhiên trong chất lỏng nhớt (200 W/m2·K) và nhiệt độ hoạt động tối đa là 200 độ.
| Độ dày của vỏ bọc | Delta nhiệt độ tối thiểu để bắt đầu tăng tốc | Tốc độ gia nhiệt tối thiểu để bắt vít ở 150 độ Delta | Căng thẳng trên mỗi chu kỳ ở 150 độ Delta, 10 độ / phút | Chu kỳ tích lũy biến dạng 2% | Chu kỳ dẫn đến thất bại (Sức căng 5%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,8 – 1,0mm | Trên 180 độ | Trên 20 độ / phút | Không có dưới 180 độ | Không áp dụng | Không áp dụng |
| 1,2 – 1,4 mm | Trên 170 độ | Trên 15 độ / phút | Không có dưới 170 độ | Không áp dụng | Không áp dụng |
| 1,6 – 1,8 mm | 150 – 160 độ | 12 – 15 độ/phút | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2,0 – 2,2 mm | 130 – 140 độ | 8 – 10 độ/phút | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2,5 – 2,8 mm | 120 – 130 độ | 5 – 8 độ/phút | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
Đối với một lò phản ứng theo mẻ có chu kỳ từ 20 độ đến 200 độ (tam giác 180 độ) hai lần mỗi ngày, số chu kỳ hàng năm là khoảng 730 chu kỳ. Tại vùng đồng bằng này, lớp vỏ 2,5 mm sẽ tích lũy biến dạng 0,025–0,035% mỗi chu kỳ, đạt mức biến dạng 2% sau 5.000–8.000 chu kỳ, hoặc 7–11 năm. Vỏ bọc 1,2 mm sẽ không bị kẹt và chỉ bị hỏng do các cơ chế khác như ăn mòn hoặc mỏi do rung. Đối với các lò phản ứng có tốc độ gia nhiệt nhanh hơn-chẳng hạn như những lò sử dụng tuần hoàn dầu nóng hoặc hơi nước{19}}sự bắt đầu hoạt động của bánh cóc xảy ra ở vùng đồng bằng thấp hơn. Một lò phản ứng làm nóng từ 50 độ đến 200 độ với tốc độ 20 độ mỗi phút tạo ra một góc đồng bằng 150 độ nhưng độ dốc nhiệt rất cao. Trong những điều kiện này, vỏ bọc 2,5 mm có thể bị hỏng trong khoảng 2.000 chu kỳ (3 năm với hai chu kỳ mỗi ngày), trong khi vỏ bọc 1,2 mm vẫn an toàn.
Sửa đổi thiết kế để ngăn chặn việc bẻ khóa
Khi cần có-vỏ bọc 316 có thành dày để ngăn chặn áp suất hoặc hạn chế ăn mòn trong hoạt động của lò phản ứng tuần hoàn, ba sửa đổi thiết kế có thể ngăn ngừa hiện tượng kẹt nhựa. Đầu tiên là hạn chế tốc độ gia nhiệt. Việc giảm tốc độ tăng dần từ 10 độ mỗi phút xuống 3 độ mỗi phút giúp giảm khoảng 60% độ dốc nhiệt nhất thời, giữ ứng suất ở mức dưới mức giới hạn ngay cả đối với tường 2,5 mm. Sửa đổi thứ hai là làm nóng lò phản ứng ở nhiệt độ chờ tối thiểu là 80 độ thay vì làm mát đến môi trường xung quanh. Việc giảm delta từ 180 độ xuống 100 độ sẽ loại bỏ hoàn toàn việc ghép lại bất kể độ dày của thành. Sửa đổi thứ ba là chỉ định vật liệu có độ giãn nở nhiệt thấp hơn và cường độ năng suất cao hơn ở nhiệt độ. Incoloy 800H có hệ số giãn nở nhiệt là 14 × 10⁻⁶/độ so với 17 × 10⁻⁶/độ của 316 và duy trì cường độ cao hơn ở 200 độ. Sự kết hợp này làm giảm ứng suất nhiệt khoảng 25% đối với cùng độ dày đồng bằng và thành. Đối với hầu hết các ứng dụng lò phản ứng theo mẻ, việc chọn độ dày thành 1,2–1,6 mm sẽ tránh bị kẹt hoàn toàn trong khi vẫn cung cấp đủ độ bền cơ học. Các kỹ sư tự động chỉ định các bức tường dày về "độ bền" trong hoạt động tuần hoàn có thể vô tình chọn một thiết kế bị lỗi sớm do việc ghép lại. Thông số kỹ thuật chính xác yêu cầu phân tích đồng bằng chu kỳ và tốc độ gia nhiệt dự kiến, sau đó chọn thành mỏng nhất đáp ứng các yêu cầu về áp suất và ăn mòn. Khi có nghi ngờ, hãy yêu cầu nhà sản xuất bộ gia nhiệt phân tích bằng cách sử dụng mô hình phần tử hữu hạn của các điều kiện chu trình cụ thể. Nhà cung cấp không thể cung cấp bản phân tích này có thể không hiểu được cơ chế hư hỏng đặc biệt của vỏ bọc có thành dày trong dịch vụ nhiệt tuần hoàn.
