Tác động của việc khởi động thường xuyên-dừng chu kỳ nhiệt đối với hỏng hóc cấu trúc ống sưởi

# Tác động của việc khởi động thường xuyên-dừng chu trình nhiệt đối với hỏng hóc cấu trúc của ống gia nhiệt Chuyển đổi hàng loạt, điều chỉnh nhiệt độ và bảo trì thiết bị thường xuyên đòi hỏi phải khởi động và dừng hệ thống gia nhiệt lên men thường xuyên. Ứng suất nhiệt định kỳ được tạo ra trong các ống sưởi và các lớp bảo vệ của chúng do sự thay đổi nhiệt độ nóng-lạnh đột ngột được tạo ra sau mỗi lần dừng-khởi động. Các vết nứt màng thụ động, sự tách lớp phủ, độ mỏi kim loại và các vết nứt vi mô thạch anh đều do-chu trình nhiệt lặp lại trong thời gian dài gây ra, làm giảm đáng kể tuổi thọ sử dụng và gây ra các rủi ro rò rỉ tiềm ẩn cho nhiều vật liệu khác nhau. Đặc tính hư hỏng chu kỳ nhiệt của bốn vật liệu sưởi ấm phổ biến được định lượng trong bảng dưới đây.|Vật liệu ống sưởi ấm|Cơ chế thiệt hại do căng thẳng nhiệt|Vị trí lỗi điển hình|Biểu hiện hư hỏng sau-đạp xe dài hạn|Khởi động an toàn bị hạn chế-Tần suất dừng|| ----|----|----|----|----|| Thép không gỉ 316|Sự giãn nở và co lại do nhiệt lặp đi lặp lại tạo ra các vết nứt nhỏ do mỏi ở ranh giới thớ mối hàn; nứt màng thụ động dưới áp lực chu kỳ|Mối hàn, khuỷu ống uốn|Màng thụ động bị nứt, tăng tốc độ xuyên rỗ|Nhỏ hơn hoặc bằng 3 lần trong 24 giờ|| Titan lớp 2|Các mảnh ứng suất nhiệt màng TiO₂ cục bộ; nhiệt độ giảm làm giảm khả năng hòa tan oxy hòa tan, làm chậm quá trình tự sửa chữa của màng|Hỗ trợ vùng mài mòn tiếp xúc, phần tác động dòng chảy|Đốm khắc màu trắng đục rải rác, tiềm năng suy giảm liên tục|Nhỏ hơn hoặc bằng 3 lần trong 24 giờ|| Lò sưởi tráng PFA|Sự chênh lệch lớn về hệ số giãn nở nhiệt giữa PFA và thép cacbon, ứng suất kéo theo chu kỳ sẽ tạo ra những khoảng trống vi mô trong lớp phủ-|Vị trí cào, khuỷu ống|Xâm nhập kiềm xen kẽ, mở rộng mụn ẩn|Nhỏ hơn hoặc bằng 2 lần trong 24 giờ; làm mát chậm bắt buộc|| Thủy tinh thạch anh|Hệ số giãn nở cực thấp tạo ra ứng suất kéo/nén xen kẽ cường độ cao khi thay đổi nhiệt độ nhanh|Đầu nối ren, khớp khuỷu|Các vết nứt vi mô vô hình bên trong, vỡ giòn đột ngột|Nhỏ hơn hoặc bằng 1 lần trong 24 giờ; tốc độ làm nóng/làm mát Nhỏ hơn hoặc bằng 0,4 độ /phút|## 1. Nguyên tắc cơ bản về hư hỏng do chu trình nhiệt Ống được nâng từ nhiệt độ môi trường xung quanh lên nhiệt độ lên men 60–90 độ trong mỗi lần khởi động gia nhiệt. Ống được làm nguội nhanh chóng trở lại nhiệt độ phòng khi tắt máy. Hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu khác nhau và cấu trúc bảo vệ của chúng không nhất quán. Ứng suất kéo và nén xen kẽ được tạo ra trong các vật liệu và bề mặt do sự giãn nở và co lại theo chu kỳ: 1. Kim loại cơ bản không thể phối hợp biến dạng với các lớp bảo vệ bề mặt (màng thụ động kim loại, lớp lót PFA), dẫn đến hình thành các vết nứt nhỏ hoặc khe hở phân tách sau hàng chục chu kỳ. 2. Các khuyết tật cấu trúc bên trong, chẳng hạn như ranh giới hạt hàn, vết xước lớp phủ và vết nứt nhỏ thạch anh, trở thành vị trí tập trung ứng suất. Đây là nơi mà{100}thiệt hại vi mô tích tụ và mở rộng trong mỗi chu kỳ. 3. Trong mỗi chu kỳ, môi trường ăn mòn và chất lỏng làm sạch CIP xâm nhập vào các khoảng trống mới hình thành, biến hư hỏng nhiệt cơ học thành các điểm yếu ăn mòn hóa học vĩnh viễn. ## 2. Phân tích hư hỏng lũy ​​tiến trên vật liệu-theo{104}}cơ sở vật chất ### Ống thép không gỉ 316 Kim loại cơ bản của thép không gỉ có độ bền cao; tuy nhiên, các vùng hàn dễ bị tập trung ứng suất do cấu trúc thớ không đồng đều. Màng thụ động giàu crom{106}}mỏng trên bề mặt mối hàn liên tục bị kéo căng và bị ép lại bởi sự thay đổi nóng{108}lạnh thường xuyên, dẫn đến hiện tượng phân mảnh và bong tróc màng. Môi trường chứa clorua tiếp xúc trực tiếp với kim loại trần lộ ra từ các vết nứt trên màng, dẫn đến hình thành các tế bào ăn mòn rỗ. Sự tích tụ các chu trình nhiệt dẫn đến sự đào sâu liên tục của các hố dọc theo ranh giới hạt mỏi, cuối cùng dẫn đến rò rỉ xuyên thành. Tốc độ làm mỏng thành mối hàn sẽ tăng gấp 3–4 lần so với vận hành liên tục ổn định nếu tần suất khởi động-dừng vượt quá 5 lần mỗi ngày. #### Ống Titan Lớp 2 Kim loại titan có khả năng chống mỏi nhiệt; tuy nhiên, màng thụ động TiO₂ mỏng của nó rất giòn và không thể chịu được biến dạng theo chu kỳ. Lớp màng cục bộ bị hư hỏng do chu kỳ nhiệt, dẫn đến hình thành các vết nứt nhỏ. Ngoài ra, độ hòa tan oxy hòa tan trong nước tuần hoàn bị giảm do nhiệt độ giảm trong quá trình tắt máy. Do đó, màng bị nứt không thể được sửa chữa kịp thời. Các vết nứt màng bị thâm nhập bởi dấu vết clorua hoặc florua trong môi trường, dẫn đến sự hình thành các điểm ăn mòn màu trắng đục phân tán. Xu hướng giảm liên tục về tiềm năng điện hóa sẽ là kết quả của việc ngừng hoạt động hàng ngày thường xuyên, điều này cho thấy các khu vực suy thoái màng đang mở rộng. ### Lò sưởi có lớp phủ PFA Thiệt hại do ứng suất bề mặt đối với vật liệu này là nghiêm trọng nhất. Chất dẻo dẻo PFA giãn nở một chút, trong khi chất nền thép cacbon giãn nở đáng kể ở nhiệt độ cao. Đế thép co lại và lớp phủ được kéo vào trong trong mỗi chu kỳ làm mát, trong khi lớp phủ PFA bị kéo căng ra ngoài trong mỗi chu kỳ gia nhiệt. Các vết xước bề mặt hiện tại được mở rộng thành các rãnh dưới bề mặt bằng lực căng và nén xen kẽ trong thời gian dài. Các vết phồng rộp được tạo ra giữa nền thép và lớp phủ do sự bay hơi của chất lỏng tẩy rửa có tính kiềm còn sót lại trong các khoảng trống trong quá trình gia nhiệt. Tốc độ giãn nở khe hở lớp phủ tăng gấp đôi do sốc nhiệt tức thời nếu hủy bỏ quy trình làm mát chậm sau khi khử trùng ở nhiệt độ cao. ### Ống sưởi thạch anh Thạch anh giòn và có khả năng giãn nở nhiệt gần như bằng không. Ứng suất bên trong ma trận thạch anh là đáng kể do nhiệt độ tăng hoặc giảm nhanh chóng. Các vết nứt nhỏ vô hình được hình thành bên trong thành ống do không có khả năng giải phóng ứng suất dù là nhỏ. Các vết nứt vi mô mở rộng theo mỗi chu kỳ nhiệt; một khi chất lỏng đi vào các vết nứt, ứng suất bên trong sẽ tăng lên, gây ra hiện tượng vỡ giòn đột ngột trong quá trình gia nhiệt tiếp theo. Thiết bị thạch anh phải điều chỉnh chặt chẽ tốc độ thay đổi nhiệt độ; Việc dừng khởi động thường xuyên hàng ngày sẽ dẫn đến sự phát triển của các vết nứt nhỏ thành các vết nứt trong nhiều đợt, dẫn đến mất hoàn toàn môi trường. ## 3. Vận hành tại chỗ không đúng cách làm trầm trọng thêm các nguy cơ luân chuyển nhiệt 1. Làm sạch hoàn toàn bằng nước lạnh khẩn cấp sau khi vận hành ở nhiệt độ cao: bỏ qua việc làm mát chậm theo phân loại để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi hàng loạt, dẫn đến sốc nhiệt tức thời. 2. Người vận hành điều chỉnh nhiệt độ thường xuyên: hình thành các chu trình nhiệt trong phạm vi nhỏ khi nhiệt độ gia nhiệt tăng lên và hạ xuống liên tục mà không giữ ổn định. 3. Sản xuất không liên tục: nhiều chu kỳ bắt đầu-dừng mỗi ngày, sản xuất hàng loạt ngắn và dài chế độ chờ. 4. Các phần đường ống không được cách nhiệt: chênh lệch nhiệt độ giữa thành trong và bề mặt ngoài của ống tăng lên do sự mất nhiệt nhanh chóng xảy ra trong quá trình tắt máy, từ đó làm tăng ứng suất bên trong. ## 4. Các biện pháp kiểm soát được tiêu chuẩn hóa để giảm tác động của chu trình nhiệt 1. Thiết lập khóa liên động về tốc độ gia nhiệt và làm mát trên tủ điều khiển: hạn chế tốc độ thay đổi nhiệt độ, cấm phun môi chất lạnh trực tiếp sau khi khử trùng ở nhiệt độ cao và triển khai chương trình làm mát chậm dần dần cho tất cả các thiết bị sưởi kéo dài trong 30–40 phút. 2. Cải thiện lịch trình sản xuất: hợp nhất các lô nhỏ để giảm thời gian bắt đầu-dừng hàng ngày và duy trì tuần hoàn nhiệt độ thấp liên tục trong thời gian chờ ngắn để tránh làm mát hoàn toàn đến nhiệt độ phòng. 3. Bao bọc toàn bộ đường ống bằng các lớp cách nhiệt để giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống bên trong và bên ngoài trong quá trình ngừng hoạt động, từ đó giảm ứng suất nhiệt bên trong. 4. Kiểm tra thường xuyên với trọng tâm cụ thể: - Thép không gỉ/titan: phát hiện tiềm năng điện hóa hàng quý và quét độ dày mối hàn siêu âm; - Bộ sưởi PFA: quét điểm lạnh hồng ngoại hàng tháng để xác định các vết phồng rộp do tách giao diện{102}} Ống thạch anh: kiểm tra độ truyền ánh sáng hai tuần một lần để đánh giá sự hiện diện của các vết nứt nhỏ được che giấu. 5. Các giới hạn khác biệt được xử lý: Thiết bị PFA thực thi nghiêm ngặt việc làm mát chậm; vòng thạch anh giảm thiểu thời gian khởi động; hệ thống titan và thép không gỉ bổ sung khả năng tuần hoàn giàu oxy trong thời gian chờ để sửa chữa các màng thụ động bị nứt do nhiệt. ## Tóm tắt chung Hư hỏng do ứng suất cơ học và ăn mòn hóa học trở nên trầm trọng hơn do chu trình nhiệt khởi động-dừng thường xuyên. Các khe hở vi mô và vết nứt không thể đảo ngược do sự giãn nở nhiệt không khớp giữa vật liệu cơ bản và lớp bảo vệ sẽ mở ra các kênh cho axit, kiềm và ion ăn mòn chất nền. Việc thực hiện các quy trình làm mát chậm, giảm thời gian khởi động-dừng không cần thiết và kiểm soát tốc độ thay đổi nhiệt độ có thể làm giảm hiệu quả sự tích tụ ứng suất nhiệt, làm chậm hư hỏng cấu trúc của ống sưởi và kéo dài chu kỳ sử dụng đầy đủ của chúng.