Sebuah pabrik kimia kehilangan pemanas imersi PTFE di tangki berlapis nikel setelah hanya tujuh bulan beroperasi. Selubungnya menunjukkan pola retakan halus dan berpotongan di sepanjang bagian bawah yang dipanaskan. Retakan tidak terkonsentrasi pada bagian tepi atau garis cair. Mereka didistribusikan ke seluruh area yang menghadap saluran masuk resirkulasi tangki. Pompa sirkulasi pabrik diprogram untuk hidup dan mati setiap lima belas menit untuk menghemat energi. Setiap siklus pompa menimbulkan kejutan termal pada permukaan pemanas.
Retakan kejut termal terjadi ketika permukaan pemanas perendaman PTFE mengalami perubahan suhu yang cepat yang melebihi kemampuan polimer untuk menampung regangan yang dihasilkan. Retakan tersebut terbentuk karena permukaannya mengembang atau menyusut lebih cepat dibandingkan material di bawahnya. Seiring waktu, stres siklik menyebabkan retak lelah.
Bagaimana Perputaran Pompa Menciptakan Kejutan Termal
Saat pompa sirkulasi bekerja, kecepatan fluida pada permukaan pemanas tinggi. Lapisan batasnya tipis, dan perpindahan panasnya efisien. Suhu permukaan selubung tetap berada dalam 10–15 derajat dari cairan curah.
Ketika pompa berhenti, kecepatan fluida pada permukaan pemanas turun mendekati nol. Lapisan batas menebal dan efisiensi perpindahan panas menurun. Suhu permukaan selubung meningkat, kadang-kadang sebesar 20–30 derajat dalam hitungan menit. Ekspansi termal PTFE meningkat.
Saat pompa dinyalakan kembali,-aliran berkecepatan tinggi dengan cepat mendinginkan permukaan. Kontrak PTFE. Logam di bawahnya, yang tidak mendingin dengan cepat, menghambat kontraksi. PTFE mengalami tegangan tarik. Siklus pemanasan dan pendinginan yang berulang menyebabkan retak lelah.
| Periode Siklus Pompa | Permukaan ΔT Selama Siklus Mati | Permukaan ΔT Selama Siklus Aktif | Amplitudo Stres | Saatnya memecahkan |
|---|---|---|---|---|
| 30 menit hidup/mati | 15–20 derajat | 10–15 derajat | Sedang | 18–30 bulan |
| 15 menit hidup/mati | 20–30 derajat | 15–20 derajat | Tinggi | 8–16 bulan |
| 10 menit hidup/mati | 25–35 derajat | 18–25 derajat | Sangat tinggi | 4–10 bulan |
| 5 menit hidup/mati | 30–45 derajat | 20–30 derajat | Berat | 2–6 bulan |
Frekuensi siklus pompa dan pengaruhnya terhadap thermal shock cracking
Mengapa Retakan Berkonsentrasi di Dekat Saluran Masuk
Retakan ini terbentuk di tempat yang terkena guncangan termal paling parah-area yang menghadap saluran masuk resirkulasi. Saat pompa dihidupkan kembali, aliran masuk langsung mengenai area tersebut. Permukaan di sana mendingin lebih cepat daripada bagian pemanas lainnya. Gradien termal antara area yang terkena benturan dan permukaan sekitarnya menciptakan tegangan tertinggi.
Retakan pada pemanas yang gagal terkonsentrasi pada pita selebar sekitar 150 mm, berpusat pada jalur aliran masuk. Bagian pemanas lainnya hanya menunjukkan sedikit perubahan warna pada permukaan.
Perbedaan Antara Kejutan Termal dan Kelelahan Termal
Kejutan termal dan kelelahan termal saling berkaitan namun berbeda. Kelelahan termal terjadi ketika pemanas berputar antara dua suhu dalam jangka waktu lama. Perubahan suhu per siklus sedang, dan stresnya rendah. Retakan tersebut berkembang secara perlahan, seringkali selama bertahun-tahun.
Kejutan termal terjadi ketika perubahan suhu per siklus besar dan cepat. Stresnya tinggi, dan retakan berkembang dengan cepat. Retakan seringkali lebih parah dan tersebar lebih luas dibandingkan kelelahan termal.
Mencegah Retak Kejutan Termal
Pencegahan yang paling efektif adalah dengan menghindari perubahan aliran yang cepat pada permukaan pemanas. Pompa yang terus bekerja menghilangkan siklus kejutan termal. Jika penghematan energi diperlukan, pompa-berkecepatan variabel yang mempertahankan aliran minimum lebih baik daripada pompa hidup/mati.
Jika siklus pompa tidak dapat dihindari, periode siklus harus cukup lama agar suhu permukaan pemanas stabil di antara siklus. Siklus 30 menit memberikan lebih sedikit stres dibandingkan siklus 10 menit. Periode siklus minimum bergantung pada massa termal pemanas dan tangki.
Pemanas dengan selubung PTFE yang lebih tebal dan kepadatan watt yang lebih rendah memiliki massa termal yang lebih banyak dan suhu permukaan yang lebih rendah. Ini merespon lebih lambat terhadap perubahan aliran dan mengalami tekanan kejut termal yang lebih rendah.
| Tindakan Pencegahan | Efek pada Kejutan Termal | Pelaksanaan | Biaya |
|---|---|---|---|
| Pengoperasian pompa terus menerus | Menghilangkan siklus kejutan | Perubahan operasional | Biaya energi |
| Pompa berkecepatan-bervariasi | Mempertahankan aliran minimum | Peningkatan pompa | Sedang |
| Periode siklus lebih lama | Amplitudo tegangan lebih rendah | Kontrol perubahan | Rendah |
| Kepadatan watt lebih rendah | Suhu permukaan lebih rendah | Desain pemanas | Sedang |
| Sarung lebih tebal | Lebih banyak massa termal | Desain pemanas | Sedang |
Langkah-langkah pencegahan retak kejut termal
Ketika Retakan Kejutan Termal Menunjukkan Masalah Desain
Pemanas yang menimbulkan retakan kejutan termal meskipun pompa terus beroperasi menunjukkan bahwa desain pemanas atau tata letak tangki menciptakan tekanan termal lokal. Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan kepadatan watt lebih rendah, selubung lebih tebal, dan posisi aliran-yang dioptimalkan mengatasi akar penyebab kejutan termal. Proses spesifikasinya memerlukan jadwal pengoperasian pompa, kecepatan aliran pada pemanas, bahan kimia penangas, dan watt yang dibutuhkan. Untuk fasilitas dengan sirkulasi terputus-putus, pendekatan khusus-aplikasi ini mengurangi keretakan kejutan termal dan memperpanjang masa pakai pemanas.
