Какъв е ефектът от бързото намаляване на налягането върху PFA нагревател, който е работил при 2 бара?

В системи под налягане като автоклави, реактори под налягане или запечатани резервоари, PFA нагревателите са проектирани да функционират при изравняване на вътрешното налягане със системата. По време на бързо понижаване на налягането на системата (вакуумно прекъсване или авариен вентил) разликата в налягането през PFA обвивката се обръща. При нормални работни условия при 2 бара (абс) налягането в нагревателя (пространството между PFA и сърцевината) е приблизително равно на системното налягане. Ако се вентилира бързо до 1 бар (атмосферно), налягането в системата ще достигне 1 бар, но налягането в пръстена на нагревателя може да остане на 2 бара за секунди до минути, в зависимост от проникването и вентилационните пътища. Това причинява разлика в налягането до 1 бар (14,5 psi) отвътре навън, поставяйки обвивката от PFA в обръч. За PFA нагревател с 25 mm OD и 2 mm стена, разлика от 1 bar дава обръчно напрежение=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, доста под якостта на опън на PFA (12–15 MPa). Така че един инцидент с понижено налягане не е катастрофален. Повтарящото се бързо понижаване на налягането (стотици цикли) обаче причинява напукване от умора. Ефектът е кумулативен, микропукнатини започват при контакта след 500-2000 цикъла, прогресиращи до проникване и евентуален отказ.

Разлики в напрежението и налягането при понижаване на налягането
Основният процес не е обръчното напрежение, дължащо се на разликата в налягането, а бързото охлаждане, което обикновено придружава намаляването на налягането. Адиабатно разширение и охлаждане ще настъпи по време на понижаване на налягането при работа с пара или пара. Ако системата е наситена пара с 2 бара (120 градуса), бързото вентилиране до 1 бар веднага намалява температурата до 100 градуса (чрез разширение). PFA нагревателят при 120 градуса получава топлинен шок от 20 градуса. Комбинацията от разлика в налягането (обръчно напрежение от 0,625 MPa) и термичен шок (температурен градиент през стената) причинява по-голямо пиково напрежение в PFA-металния интерфейс. 20-градусово закаляване с 1 бар разлика в налягането-приближаване до границата на умора води до максимално напрежение от 3-5 MPa, като се използва анализ на крайните елементи.

За не{0}}парни системи (само течност) понижаването на налягането не охлажда, тъй като течностите са почти несвиваеми. Разтворените газове обаче могат да изтичат от разтвора и да произведат мехурчета, които се свиват върху повърхността на PFA (кавитация). Кавитационната ерозия (вижте член #13) е по-разрушителна от самата разлика в налягането.

Най-лошият случай е бързо намаляване на налягането на гореща наситена система, в която PFA е абсорбирала вода или киселинни пари. Когато налягането спадне, абсорбираните летливи вещества се изпаряват в стената на PFA, генерирайки вътрешни мехури (вижте член #61). При 120 градуса PFA, наситен с вода, е податлив на образуване на мехури при разлика от 1 бар.

Резюме на ефектите по тип система
Тип система Работни условия Степен на понижаване на налягането Първични напрежения Механизъм за повреда PFA Отказ Критични цикли
Само течност (без газ в разтвор) 2 бара, 80 градуса Quick (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10 000 (умора не е значителна)
Течност с разтворен въздух 2 бара, 80 градуса Бърза кавитация чрез отделяне на газове Повърхностна питинг 1000–5000
Наситена пара 2 бара, 120 градуса Бърз термичен шок (20 градуса) + обръч Умора на интерфейса 500–2000
Superheated water (>100 градуса ) 2 бара, 120 градуса Бързо мигане до пара в PFA Вътрешно образуване на мехури 200–1000
Киселинни пари + пара 2 бара, 130 градуса Бързо проникване на киселинни пари мига + топлина Образуване на мехури + напукване 100–500
Всяко с PFA напоено проникнатоВсяко Вътрешно генериране на пари Образуване на мехуриНаситено: еднократно-събитие
Количествено определяне на ефекта от многократно намаляване на налягането
Пример: PFA нагревател в услуга с наситена пара при 120 градуса, 2 бара, 10 бързи понижавания на налягането на ден. (напр. ежедневни партидни цикли с вентилация) Очаквана продължителност на живота:

Без понижаване на налягането: базов живот 5-8 години (термичен цикъл)

С декомпресия: Живот 1-3 години

Намалението се дължи на комбинацията от термичен шок (поради адиабатно охлаждане) и обръчно напрежение. Ако парата е прегрята (няма течна вода), охлаждането е по-слабо, тъй като не се отделя латентна топлина. Прегрятата пара при 150 градуса, 2 бара, охлаждане до 120 градуса при понижаване на налягането (намаляване с 30 градуса) ще предизвика допълнителен термичен стрес.

Бързото намаляване на налягането има малък ефект върху системите само с течност (без пара). Обръчното напрежение от 0,6 MPa е доста под 5–10 MPa, типично за термичния цикъл. Основното напрежение се причинява от диференциално разширение при нагряване/охлаждане, а не от налягане.

Дехерметизация-Намаляване на системите, склонни към понижаване на налягането
Ако бързото понижаване на налягането не може да бъде избегнато, направете следното:

Увеличете времето за вентилация от 1 секунда на 30-60 секунди, вентилирайте бавно. Това елиминира топлинния шок и позволява на PFA да изравни налягането без напрежение.

Инсталирайте линия за изравняване на налягането. Свържете пръстеновидната зона между PFA и сърцевината към системното налягане с помощта на тръба с малък отвор. По този начин се избягват разлики в налягането по време на вентилация.

Преминете към по-дебел PFA: 2,5-3,0 mm стена=съответно по-малко напрежение на обръча. За 3 mm напрежение на обръча на стената при 1 бар=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa - дори по-малко.

Изсушете PFA: Ако PFA не е наситен с вода или киселина, няма да се появи мигане. Ако случаят е редовно намаляване на налягането, поддържайте нагревателите сухи и избягвайте продължително потапяне в проникващи течности.

Check post-events: Check the insulation resistance after any fast depressurisation. Damage is indicated by drops >20%

Пример в полето
Фармацевтичен реактор, използващ PFA нагреватели в-нагрят с пара съд под налягане при 120 градуса, 2 бара. Цикълът се състои от бързо понижаване на налягането (5 s) в края на всяка партида (10 партиди/ден). Нагревателите се повреждаха на всеки 8-12 месеца от изгаряне на повърхността на PFA. Фабриката модифицира цикъла за вентилация над 60 секунди. Няма образуване на мехури и животът на нагревателя е 4+ години. Допълнителните 55 секунди на всяка партида (10 минути/ден) бяха поносими. Иначе нищо не се е променило.

Заключение: Бързото понижаване на налягането уврежда само PFA в системата за изпарения
PFA нагревателите не са много чувствителни към бързо намаляване на налягането от 2 бара в случай на системи само с течност (обръчно напрежение 1 MPa значително под границата на умора). При работа с наситена пара или изпарения термичният шок (20–30 градуса), вътрешното мигане на проникнали летливи вещества и обръчното напрежение водят до умора, напукване и образуване на мехури след 500–2000 цикъла, ограничаващи живота на нагревателя с 50–80%. Обезвъздушаването трябва да става внимателно (30–60 секунди), за да се избегне повреда на PFA. Добавете линии за изравняване на налягането или сух PFA преди работа под налягане. Ако вашата система се вентилира бързо и има пара или горещи пари, да предположим, че вашият PFA нагревател е повреден. Тествайте, намалете или приемете намаления живот. Проблемът е в парата, а не в налягането. Контролирайте изпаренията, контролирайте вредата.