Jakie są najczęstsze rodzaje awarii nieprzepuszczalnych grafitowych wymienników ciepła w instalacjach chemicznych?

Istnieje wiele odrębnych mechanizmów, które często są podstawową przyczyną awarii grafitowych wymienników ciepła. Operatorzy rozumieją, że wydłużają one żywotność i pozwalają uniknąć nieplanowanych przestojów. Grafit, nieprzepuszczalny grafit, jest silną substancją do zastosowań korozyjnych, ale nieodporną na uszkodzenia. Nieprzepuszczalny grafit to często grafit impregnowany PTFE, żywicą fenolową lub węglem. Najczęstszymi rodzajami uszkodzeń grafitowych wymienników ciepła są degradacja żywicy, pękanie w wyniku szoku termicznego i erozja. Każdy typ ma inne objawy, przyczyny i sposoby zapobiegania.

Degradacja żywicy: cicha utrata nieprzepuszczalności
Żywica impregnująca wypełnia dziury w porowatym podłożu grafitowym i zapewnia-szczelność nieprzepuszczalnego grafitu. Żywica (często fenolowa, czasami PTFE lub furan) musi zachować swoją integralność strukturalną i przyczepność do grafitu przez cały okres użytkowania. Pogorszenie jakości żywicy ma miejsce, gdy warunki pracy przekraczają termiczne lub chemiczne granice żywicy.

Degradacja cieplna
Żywica fenolowa zaczyna się rozkładać w temperaturach powyżej około 200°C (w zależności od dokładnego składu). Proces degradacji generuje lotne produkty uboczne i powoduje skurcz, zwęglenie lub zmiękczenie żywicy. Gdy klej odejdzie od sieci porów, grafit ponownie staje się porowaty, umożliwiając absorpcję płynów korozyjnych. Oznacza to, że w wymienniku płaszczowym-i-rurowym lub blokowym:

Zanieczyszczenie krzyżowe po stronie płaszcza i rurki.

Wyciek na uszczelnionych połączeniach na skutek utraty żywicy niszczącej uszczelkę.

Powolne zmniejszanie wydajności wymiany ciepła w wyniku zanieczyszczania lub osadzania się zdegradowanych produktów żywicznych.

Wojna chemiczna
Niektóre substancje uszkadzają żywicę impregnującą, nawet jeśli samo podłoże grafitowe nie ulega zniszczeniu. Żywica fenolowa ulega szybkiej hydrolizie pod wpływem silnych roztworów żrących (wodorotlenek sodu, wodorotlenek potasu) w podwyższonych temperaturach. Żywicę rozkłada się lub rozpuszcza także stężony kwas azotowy, kwas siarkowy w wyższych temperaturach i rozpuszczalniki organiczne (aceton, keton metylowo-etylowy). Listy zgodności chemicznej zwykle klasyfikują grafit według kombinacji podłoża grafitowego i żywicy. Awaria może zostać wywołana przekroczeniem maksymalnej wartości znamionowej któregokolwiek elementu.

Oznaki degradacji żywicy obejmują:

Widoczne wycieki lub wylewanie się z-nieuszczelnionych części bloku grafitowego.

Zwiększyć spadek ciśnienia bez zanieczyszczania (spowodowanego zmianami porowatości wewnętrznej).

Odbarwienie lub zmiękczenie odsłoniętej żywicy na końcach rur lub kołnierzach

Zapobieganie: Zawsze należy utrzymywać temperaturę poniżej górnej granicy ograniczeń chemicznych i chemicznych dla tego typu żywicy, określonych przez producenta. Określ gatunki grafitu-impregnowanego PTFE lub węgla-(bez żywicy-), jeśli ma to zastosowanie do zastosowań z kwasem żrącym lub utleniającym.

Pękanie w wyniku szoku termicznego: szybkie zmiany temperatury
Grafit ma stosunkowo niską odporność na szok termiczny w porównaniu z metalami. Kiedy następuje duża i nagła zmiana temperatury, np. wprowadzenie zimnego płynu do gorącego wymiennika, zewnętrzne lub wewnętrzne powierzchnie materiału grafitowego rozszerzają się lub kurczą w różny sposób. Materiał ma niską wytrzymałość na rozciąganie, mniejszą niż powstałe naprężenie cieplne, co prowadzi do proliferacji pęknięć.

Typowe przypadki szoku termicznego
Szybki rozruch-: zimna woda lub kwas przepływa przez wymiennik blokowy, który właśnie został opróżniony, ale wciąż jest gorący po pracy.

Pęd pary lub gorącego kondensatu: Szybki napływ pary o wysokiej temperaturze do chłodnego wymiennika.

Zakłócenie procesu: Utrata przepływu chłodzenia, przy wciąż włączonym czynniku grzewczym, po czym następuje awaryjne ponowne wprowadzenie zimnego płynu.

Czyszczenie wkrótce po spuszczeniu gorącego płynu procesowego zimną wodą.

Pęknięcia spowodowane szokiem termicznym występują zazwyczaj w poprzek otworów rurowych lub wzdłuż linii oddzielających bloki. Pęknięcia mogą powstawać na połączeniach-rur z-płytami rurowymi lub wzdłuż ścian rur w wymiennikach płaszczowych-i-rurowych. Szczeliny umożliwiają bezpośrednie obejście pomiędzy bokami płaszcza i rury lub pomiędzy sąsiadującymi otworami rury.

Objawy:

Nagły wzrost wycieku płynów eksploatacyjnych.

Próba ciśnieniowa wykazuje szybką utratę ciśnienia.

Widoczne pęknięcia w trakcie oględzin (zalecane przeprowadzenie testów penetracyjnych barwnika).

Zapobieganie:

Zastosuj odpowiednie szybkości zmian temperatury (zwykle mniejsze lub równe 5-10 stopni na minutę, w zależności od typu wymiennika).

NIGDY nie dodawaj zimnego płynu do gorącego, opróżnionego wymiennika. Podczas schładzania wymiennik należy zwilżyć ciepłym płynem.

• Do uruchamiania i wyłączania używaj blokad temperaturowych lub sekwencyjnego działania zaworu sterującego.

Objawy trybu awaryjnego Możliwe przyczyny
Resin degradation Leaking through block walls; resin softened at tube ends; rise in pressure decrease without foulingTemperature >200 stopni, silne środki żrące, kwas azotowy lub rozpuszczalniki organiczne, wydłużona praca poza ograniczeniami chemicznymi
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 stopni/min); osuszony wymiennik z wahaniami temperatury
Erosion Tube thinning, particularly at tube inlets, baffle edges, or elbows; particle solids in process fluid; localised perforationHigh velocity fluid (>sugerowana granica 2-3 m/s) Zawieszone krystaliczne ciała stałe, drobne cząstki katalizatora lub zgorzelina Strefy turbulentne w pobliżu przegród
Erozja: zużycie mechaniczne pod wpływem prędkości płynu i ciał stałych
Grafit jest substancją dość miękką i kruchą. Jest odporny na większość ataków chemicznych, ale jego powierzchnia jest podatna na erozję pod wpływem płynów o dużej prędkości, szczególnie gdy strumienie niosą zawieszone cząstki. Erozja stopniowo eliminuje materiał grafitowy, zmniejszając grubość ścianek rur, przegród lub kanałów blokowych aż do perforacji lub uszkodzenia konstrukcji.

Erozja-z dużą prędkością
Nawet czyste płyny o zbyt dużych prędkościach liniowych mogą z czasem spowodować erozję grafitu. Maksymalna zalecana prędkość dla rur grafitowych wynosi zazwyczaj 2–3 m/s (w zależności od konkretnej konstrukcji wymiennika i producenta). Powyżej tego zakresu siły ścinające płynu powoli zużywają wewnętrzną średnicę rury. Najbardziej agresywna erozja występuje na wejściach rur (gdzie kształtują się profile prędkości) oraz w obszarach bezpośrednio poniżej przegród (gdzie silne turbulencje).

Erozja cząsteczkowa
Szczególnie kłopotliwe są usługi szlamowe, takie jak kwas fosforowy z gipsem lub krzemionką, czy kwas trawiący z cząstkami żelaza. Zawiesiny mają działanie ścierne i zwiększają szybkość usuwania materiału. Szybkość erozji wzrasta w przybliżeniu jako kwadrat prędkości i liniowo wraz ze stężeniem substancji stałych i twardością cząstek. W ciężkich przypadkach ścianki rurki mogą zostać przebite w ciągu kilku miesięcy.

Znaki:-

Zwiększone wskaźniki wycieków bez szoku termicznego i rozkładu żywicy.

W okolicy wlotu powierzchnie rur wydają się być wypolerowane na cienką warstwę.

Badania ultradźwiękowe dla zmiennej grubości ścianki.

Perforacje wyglądające jak wyraźne dziury erozyjne (a nie postrzępione pęknięcia).

Zapobieganie:

Projekt dla płynów o prędkości mniejszej niż 2 m/s (i mniejszej, jeśli występują ciała stałe).

• Zamontuj rozdzielacze przepływu wlotowego lub-tulejki przeciwerozyjne na wejściu rur.

Zwiększ rury lub dodaj więcej rur równolegle. To zmniejszy prędkość na rurę.

Filtrowanie lub osadzanie materiałów grubych przed strumieniem.

Synergistyczne skutki erozji-Korozja
W niektórych usługach erozja i korozja współdziałają. Płyn jest lekko żrący dla spoiwa z żywicy grafitowej. Chroniona warstwa powierzchniowa jest w sposób ciągły usuwana poprzez erozję, odsłaniając świeży materiał. Taki mechanizm erozji-korozyjnej może prowadzić do uszkodzeń w tempie znacznie przekraczającym sumę poszczególnych współczynników. Na przykład kwas solny z przeniesionymi cząsteczkami tlenku żelaza lub kwas siarkowy z drobnymi cząstkami węgla.

Zalecenia dotyczące inspekcji i nadzoru
Następujące elementy powinny zostać uwzględnione w regularnych inspekcjach w celu wykrycia trybów awarii przed katastrofalnym wyciekiem:

Kontrola wzrokowa końców rur, powierzchni uszczelek i powierzchni zewnętrznych bloków podczas rutynowej konserwacji.

Test penetracyjny barwnika powierzchniowego grafitu w celu wykrycia włoskowatych pęknięć (uszkodzenie spowodowane szokiem termicznym).

Ultradźwiękowy pomiar grubości ważnych obszarów podatnych na erozję (wloty rur i strefy przegród).

Badanie spadku ciśnienia po bokach płaszcza i rury pod kątem przenikania lub przez wady ścian.

Monitorowanie procesu pod kątem nieoczekiwanych zmian temperatur wylotowych lub spadku ciśnienia.

Wniosek
Typowe awarie grafitowych wymienników ciepła obejmują niszczenie żywicy, pękanie w wyniku szoku termicznego i erozję. Można ich uniknąć poprzez rygorystyczne przestrzeganie ograniczeń operacyjnych i delikatne procedury-uruchamiania/wyłączania-. Grafit jest mocnym materiałem do stosowania w przypadku żrącego kwasu, ale wymaga zdyscyplinowanej obsługi, aby uzyskać maksymalną trwałość użytkową (zwykle 10-20 lat lub więcej). Operatorzy powinni przestrzegać ograniczeń temperatury i prędkości, zapobiegać gwałtownym zmianom temperatury i zwracać uwagę na wskaźniki erozji cząstek. W przypadku wystąpienia awarii pełne badanie przyczyny pierwotnej, obejmujące badanie stanu żywicy, ocenę wzoru pęknięć i mapowanie grubości ścianki, pozwala na podjęcie kroków naprawczych. Prawidłowo obsługiwane, nieprzepuszczalne grafitowe wymienniki ciepła w dalszym ciągu zapewniają niezawodną i ekonomiczną pracę w najcięższych procesach chemicznych.