Care sunt modurile de defecțiune comune ale schimbătoarelor de căldură din grafit impermeabile în serviciul chimic?

Există o serie de mecanisme distincte care sunt adesea cauza principală a defecțiunilor schimbătorului de căldură din grafit. Acestea sunt înțelese de către operatori pentru a prelungi durata de viață și pentru a evita opririle neplanificate. Grafitul, grafitul impermeabil, este o substanță puternică pentru utilizare corozivă, dar nu imună la deteriorare. Grafitul impermeabil este adesea grafit impregnat cu PTFE, rășină fenolică sau carbon. Cele mai comune moduri de defectare a schimbătoarelor de căldură din grafit sunt degradarea rășinii, fisurarea prin șoc termic și eroziunea. Fiecare tip are simptome, cauze și prevenire diferite.

Degradarea rășinii: Pierderea silențioasă a impermeabilității
Rășina de impregnare umple găurile substratului de grafit poros și asigură etanșeitatea-la scurgerii grafitului impermeabil. Rășina (adesea fenolică, uneori PTFE sau furan) trebuie să-și mențină integritatea structurală și aderența la grafit pe durata de viață. Deteriorarea rășinii are loc atunci când circumstanțele de funcționare depășesc limitele termice sau chimice ale rășinii.

Degradarea căldurii
Rășina fenolică începe să se descompună la temperaturi peste aproximativ 200C (în funcție de formularea exactă). Procesul de degradare generează produse secundare volatile și provoacă contracția, carbonizarea sau înmuierea rășinii. Odată ce adezivul s-a retras din rețeaua de pori, grafitul devine din nou poros, permițând absorbția fluidelor corozive. Aceasta implică într-un schimbător-și-tub sau bloc:

Contaminare încrucișată partea carcasă și tub.

Scurgeri la îmbinările cu garnituri din cauza pierderii de rășină care distruge etanșarea.

Reducerea lentă a eficienței transferului de căldură prin murdărirea sau depunerea produselor de rășină degradate.

Războiul chimic
Unele substanțe dăunează rășinii de impregnare, chiar dacă substratul de grafit în sine nu este afectat. Rășina fenolică este rapid hidrolizată prin soluții caustice puternice (hidroxid de sodiu, hidroxid de potasiu) la temperaturi ridicate. Rășina este, de asemenea, descompusă sau dizolvată de acid azotic concentrat, acid sulfuric peste anumite temperaturi și solvenți organici (acetonă, metil etil cetonă). Listele de compatibilitate chimică clasifică de obicei grafitul în funcție de combinația de substrat de grafit și rășină. Defecțiunea poate fi declanșată prin depășirea valorii maxime a fiecărei componente.

Semnele de deteriorare a rășinii includ:

Plâns vizibil sau vărsare din porțiuni ne-garnite ale unui bloc de grafit.

Creșteți căderea de presiune fără murdărire (cauzată de modificări ale porozității interne).

Decolorarea sau înmuierea rășinii expuse la capetele tuburilor sau la flanșe

Prevenire: Păstrați întotdeauna sub limita superioară a temperaturii și a substanțelor chimice pentru acel tip de rășină stabilite de producător. Specificați gradele impregnate cu grafit-PTFE sau cu carbon-(fără rășină-), acolo unde este cazul, pentru utilizarea acidului caustic sau oxidant.

Cracare prin șoc termic: schimbări rapide de temperatură
Grafitul are o rezistență relativ scăzută la șocul termic în comparație cu metalele. Când are loc o schimbare mare și bruscă a temperaturii, cum ar fi introducerea de fluid rece într-un schimbător fierbinte, suprafețele exterioare sau interioare ale materialului grafit se extind sau se contractă diferit. Materialul are o rezistență scăzută la tracțiune, mai mică decât stresul termic dezvoltat, ceea ce duce la proliferarea fisurilor.

Cazuri tipice de șoc termic
Pornire rapidă-: apa rece sau acidul circulă printr-un schimbător de blocuri care tocmai a fost golit, dar este încă fierbinte de la funcționare.

Abur sau condens fierbinte: o creștere rapidă a aburului la temperatură ridicată într-un schimbător rece.

Dereglarea procesului: Pierderea debitului de răcire, cu agentul de încălzire încă pornit, urmată de reintroducerea de urgență a fluidului rece.

Curățați imediat după scurgerea lichidului fierbinte de proces cu apă rece.

Fisurile de șoc termic sunt în general peste orificiile tubului sau de-a lungul liniilor de separare ale blocurilor. Se pot dezvolta crăpături la joncțiunile dintre tub-cu-foaia tubulară sau de-a lungul pereților tubului în schimbătoarele-și-de tuburi. Fisurile permit trasee de ocolire directe între laturile carcasei și tubului sau între găurile adiacente ale tubului.

Simptome:

Creșterea bruscă a scurgerilor de fluide de serviciu.

Testul de presiune arată o pierdere rapidă de presiune.

Fisuri vizibile în timpul examinării (se recomandă teste cu colorant penetrant).

Prevenire:

Utilizați rate adecvate de schimbare a temperaturii (de obicei, mai mici sau egale cu 5-10 grade/minut, în funcție de tipul schimbătorului).

NU adăugați NICIODATĂ lichid rece într-un schimbător drenat fierbinte. Păstrați schimbătorul umezit cu lichid cald în timpul răcirii.

• Utilizați dispozitive de blocare a temperaturii sau funcționarea secvențială a supapei de control pentru pornire-și oprire.

Simptomele modului de defecțiune Cauze posibile
Resin degradation Leaking through block walls; resin softened at tube ends; rise in pressure decrease without foulingTemperature >200 de grade, substanțe caustice puternice, acid azotic sau solvenți organici, funcționare prelungită în afara limitărilor chimice
Damage from thermal shockSudden cross-leakage between services Cracks apparent with dye penetrant Failure coincident with rapid temperature shiftCold fluid entering hot exchanger; fast heating/cooling (>5-10 grade/min); schimbător drenat cu variație de temperatură
Erosion Tube thinning, particularly at tube inlets, baffle edges, or elbows; particle solids in process fluid; localised perforationHigh velocity fluid (>Limită sugerată de 2-3 m/s) Solide cristaline în suspensie, catalizator fin sau scară Zone turbulente în apropierea deflectoarelor
Eroziunea: uzura mecanică din cauza vitezei fluidului și a solidelor
Grafitul este o substanță destul de moale, fragilă. Este rezistent la majoritatea atacurilor chimice, dar suprafața sa este susceptibilă la eroziunea fluidelor de mare viteză, în special atunci când fluxurile transportă particule în suspensie. Eroziunea elimină în mod constant materialul de grafit, subțierea pereților tubului, deflectoarele sau canalele blocate până la punctul de perforare sau defecțiune structurală.

Eroziunea cu{0}}viteză mare
Chiar și fluidele curate la viteze liniare prea mari pot provoca erodarea grafitului în timp. Viteza maximă recomandată pentru tuburile de grafit este de obicei de 2–3 m/sec (în funcție de proiectul special de schimbător și de producător). Peste acest interval, forțele tăietoare ale fluidului uzează încet diametrul interior al tubului. Cea mai agresivă eroziune este la intrările tuburilor (unde se dezvoltă profilele de viteză) și în regiunile imediat în aval de deflectoare (unde turbulența este severă).

Eroziunea prin particule
Serviciile de șlam sunt deosebit de supărătoare, cum ar fi acidul fosforic cu gips sau silice sau acidul de decapare cu particule de fier. Solidele în suspensie sunt abrazive și măresc rata de îndepărtare a materialului. Viteza de eroziune crește aproximativ ca pătratul vitezei și liniar cu concentrația solidului și duritatea particulelor. În cazuri severe, pereții tubului pot fi perforați în câteva luni.

Semne:-

Rate de scurgere crescute fără șoc termic sau defalcare a rășinii.

În apropierea admisiei, suprafețele tubului par să fie lustruite subțiri.

Testare cu ultrasunete pentru grosimea peretelui variabilă.

Perforații care arată ca niște găuri de erodare clare (nu crăpături zimțate).

Prevenire:

Proiectare pentru fluide cu viteză mai mică de 2 m/s (și mai mică dacă sunt prezente solide).

• Instalați distribuitoare de debit de admisie sau manșoane anti-eroziune la intrarea tuburilor.

Faceți tuburile mai mari sau adăugați mai multe tuburi în paralel. Aceasta va scădea viteza pe tub.

Filtrarea sau decantarea materialelor grosiere în amonte.

Efectele sinergice ale eroziunii-Coroziunea
În unele servicii, eroziunea și coroziunea funcționează împreună. Fluidul este ușor coroziv pentru liantul de rășină de grafit. Stratul de suprafață protejat este îndepărtat continuu prin eroziune care dezvăluie material proaspăt. Un astfel de mecanism de eroziune-coroziune poate duce la defecțiune la o rată care depășește cu mult suma ratelor individuale. De exemplu, acidul clorhidric cu particule de oxid de fier purtate sau acidul sulfuric cu particule fine de carbon.

Recomandări pentru Inspecție și Supraveghere
Următoarele ar trebui incluse în inspecția regulată pentru a detecta modurile de defecțiune înainte de scurgeri catastrofale:

Inspecția vizuală a capetelor tuburilor, a fețelor garniturii și a fețelor exterioare ale blocurilor în timpul întreținerii de rutină.

Test de penetrant cu vopsea de suprafață cu grafit pentru a arăta crăpăturile firului de păr (daune prin șoc termic).

Măsurarea grosimii cu ultrasunete a regiunilor importante predispuse la eroziune (admisii tubului și zonele deflectoare).

Testarea scăderii presiunii pe laturile carcasei și tubului pentru penetrare sau prin defecte ale peretelui.

Monitorizarea procesului pentru modificări neașteptate ale temperaturilor de ieșire sau căderi de presiune.

Concluzie
Modurile comune de defectare a schimbătorului de căldură din grafit includ deteriorarea rășinii, fisurarea șocului termic și eroziunea. Acestea pot fi evitate prin respectarea riguroasă a limitărilor de operare și prin proceduri ușoare de pornire-pornire/oprire-. Grafitul este un material puternic pentru utilizarea acidului corosiv, dar necesită o funcționare disciplinată pentru a obține durata maximă de viață (de obicei 10-20 de ani sau mai mult). Operatorii ar trebui să respecte limitările de temperatură și viteză, să prevină tranzitorii termici rapidi și să urmărească indicatorii de eroziune a particulelor. Când apare o defecțiune, un studiu complet al cauzei principale, inclusiv testarea stării rășinii, evaluarea modelului de fractură și cartografierea grosimii peretelui, permite luarea de măsuri corective. Când sunt operate corespunzător, schimbătoarele de căldură din grafit impermeabile continuă să ofere servicii fiabile și economice în cele mai severe procese chimice.