Miért képződnek repedések a vízszintesen, forrásban lévő salétromsavtartályban lévő PFA fűtőtest felső felületén 6 hónapon belül?

A vízszintesen elhelyezett PFA fűtőtest egy forrásban lévő salétromsav tartályban (pl. 20-30% HNO₃ 105-110 fokon) rendszeresen 3-6 hónapon belül kerületi repedések keletkeznek a felső felületén, míg a függőlegesen szerelt fűtőberendezés ugyanabban a szolgáltatásban 2-3 évig is eltarthat. A felgyorsult oxidatív károsodás, a helyi felmelegedés és a páraletakarás mind hozzájárulnak a kudarchoz. A PFA-t szigetelő folytonos gőzréteg keletkezik, amikor a vízszintes cső tetején forrásban lévő buborékok felemelkednek és összegyűlnek. Amíg az alját még folyadék hűti, a felső felület hőmérséklete a tipikus 115-120 fokról 180-250 fokra emelkedik. A PFA-t erősen oxidálja az intenzív salétromsav gőz, amely a takaró mögött van. Gyors ridegedés, repedés és végső soron perforáció az eredmény. Forrásban lévő savak esetében a vízszintes orientáció lényegében nem megfelelő; a függőleges telepítés erősen ajánlott.

A vízszintes fűtőelemek gőzfedő mechanizmusa
Gőzbuborékok jelennek meg az egész felületen a fűtőelemben a nukleáris forrás során. A buborékok gyorsan szétválnak és felemelkednek a függőleges fűtőtesten, söpörve a felületet és megőrizve a folyadékkal való érintkezést. A vízszintes fűtőtest alsó felén keletkező buborékok felfelé szállnak, és becsapódnak a felső felébe, ahol egyesülve folyamatos vagy félig{2}}folyamatos gőzréteget alkotnak. A gőztakaró alatt a hőátbocsátási tényező 5000–10000 W/m²·K (folyadék forráspontja) 100–300 W/m²·K (gőzfilm) értékre csökken. A gőztakaró alatti felületi hőmérséklet a T_felszíni=T_fluid + q/h=110 + 30,000/200=260 fokra növekszik 3 W/cm² (30 000 W/m²) állandó hőáram mellett. Ez meghaladja a PFA biztonságos, 200 fokos folyamatos használati hőmérsékletét, és megközelíti a 305 fokos olvadáspontját. Hőterhelés hatására a PFA meglágyul, salétromsavgőzben gyorsan oxidálódik és felhasad.

Az időszakos nedvesség a felső felületen is ciklikus feszültséget okoz. A hőmérséklet néhány másodpercenként 110 és 260 fok között ingadozik, amikor a gőztakaró felépül és összeesik. Ez a hősokk több ezer ciklusban (napoktól hetekig) körbefutó repedéseket hoz létre.

A vízszintes és a függőleges teljesítmény összehasonlítása 25% HNO3 forrásban 108 fokon
Tájolás Repedés kezdete (hónap) Felső felületi hőmérséklet ( fok ) Alsó felület hőmérséklete ( fok ) Domináns hibamód Relatív élettartam Vízszintes (25 mm OD) 210–260 115–125 3–6 Kerületi repedések a tetején 1,0× vízszintes, 5 m/s kényszerített keringtetéssel 160–190 130–140 8–12 Általános romlás 2,0× Függőleges (ugyanaz a fűtés) 115–125 115–125 24–366–8 év egyenletes öregedés
Vízszintes páraárnyékolóval (perforált fém burkolat a tetején) 130–150 120–130 18–24 Korrózió az pajzs szélein 4–5× Vízszintes, 1,5 W/cm²-re csökkentett
Az egyik erős oxidálószer a salétromsav. A láncvégek oxidálásával és karbonil-fluorid csoportok kialakításával a HNO₃ gőz gyorsan lebontja a PFA-t 200 fokon. A felületen mikrorepedések keletkeznek, és törékennyé válik (a Shore D keménysége 66-ról 78-ra emelkedik). Másrészt a nem-oxidáló savak vagy a tiszta víz lassabban bomlik le. Ön-gyorsuló meghibásodási ciklus jön létre, ha a salétromsav és a gőztakaró kombinálja: a gőztakaró növeli a hőmérsékletet, ami felgyorsítja az oxidációt, ami növeli a felület érdességét, ami elősegíti a buborékok tapadását, ami javítja a gőztakarót.

Példa a mezőben
Egy 2000 literes forrásban lévő 25%-os HNO₃ tartályba (108 fok) egy vegyi üzem vízszintesen helyezte el a 6 kW-os PFA fűtőtestet. Négy hónappal később földzárlat miatt a fűtés leoldott. Az átvizsgálás során a felső felületén 5 cm-es körbefutó repedést találtunk, amely jelentős ridegséggel és sárgulással járt. Ugyanabban a gyárban ugyanabban a tartályban lévő függőleges fűtőelem harminc hónapig hibátlanul működött. A vízszintes fűtőtest függőleges telepítésre cseréje után a létesítményben nem volt további korai hiba. A vízszintes szerelés most tilos bármilyen forrásban lévő savszerviz esetén.

A szükséges vízszintes telepítések csökkentése
Három lépéssel csökkenti a felső felület repedésének veszélyét, ha a vízszintes helyzet nem kerülhető el (sekély tartályok, helyszűke):

Páravédő burkolat felszerelése: A folyamatos gőztakaró elkerülése és a buborékok összeolvadásának megzavarása érdekében helyezzen be egy perforált rozsdamentes acéllemezt 5 mm-es lyukakkal és 40%-os nyitott területtel 10-20 mm-rel a fűtőtest fölé. A pajzs hasonló hőmérsékleten működik, de mivel fém, nem oxidálódik.

Alacsonyabb wattsűrűség: Részleges gőzfedés esetén is tartsa a felső felület hőmérsékletét 150 fok alatt, ha legfeljebb 1,5 W/cm²-en működik.

Kényszerkeringtetés beépítése: Mielőtt a buborékok összeolvadnak, egy keverő vagy recirkulációs szivattyú söpörje le őket a felső felületről, amely 0,3 m/s-nál nagyobb sebességgel mozog.

Heti 180 fokos fűtési forgatás elosztja a hőterhelést, de egyszerűen elodázza a meghibásodást.

Összefoglalva, a gyors felső felületi repedést a forrásban lévő salétromsavban történő vízszintes szerelés okozza.
Három-hat hónapon belül a páraletakarás kerületi repedések megjelenését okozza egy forró salétromsavtartályba vízszintesen elhelyezett PFA-fűtőtest felső felületén. Ahogy a buborékok felhalmozódnak a tetején, egy szigetelő gőzréteg jön létre, amely 200 fok fölé emeli a PFA hőmérsékletét, és felgyorsítja a hősokk repedést és az oxidatív lebomlást. A gőztakaró eltávolításával a függőleges helyzet két-három évre növeli a fűtőelem élettartamát. Forrásban lévő savak kezelésekor kerülni kell a vízszintes szerelést. Használjon kényszerkeringtetést, csökkentse a wattsűrűséget, vagy szereljen fel páravédőt, ha ezt nem tudja megakadályozni. A vízszintes fűtőelem forrásban lévő savban lévő felső felülete katasztrófa receptje. Cserélje gyakran, vagy szerelje fel függőlegesen.