Kuinka ennustaa PFA-putken murtumispaineen aleneminen 10 000 tunnin lämpökierron jälkeen 50 % H₂SO₂:ssa?

PFA-lämmitinputkien lämpökierto 50-prosenttisessa rikkihapossa korotetussa lämpötilassa johtaa hajoamiseen kahdella mekanismilla. Toinen on hapon läpäisy, joka heikentää polymeerimatriisia, ja toinen on lämpöväsymys, joka johtaa mikrohalkeamiin. Molemmat vähentävät putken halkeamispainetta eli sisäistä painetta, jossa vaippa halkeaa. Tyypillinen 25 mm OD x 2 mm seinämäinen PFA-putki menettää 40-60 % alkuperäisestä murtumispaineestaan ​​10 000 tunnin lämpökierron jälkeen (25 - 100 astetta, 1 jakso/tunti, 50 % H2SO4:ssa). Alkuperäinen halkeamispaine 25 asteessa on 25-30 bar. Jäljellä oleva murtumispaine kierroksen jälkeen 10-18 bar. Vähennys perustuu ennustavaan malliin: P_jäljellä=P_alku x (1 – kx sqrt(N)), missä N on jaksojen lukumäärä ja k on hajoamiskerroin (0,008 – 0,012 50 % H2SO4:lle). Insinöörit voivat käyttää tätä mallia lämmittimen vaihtamisen suunnitteluun ennen purskeen rikkoutumista.

Räjähdyspaineen testaus ja hajoamismekanismit
PFA-putken murtumispaine lasketaan vanteen jännitysyhtälöstä P burst=2 ∗ σ ult ∗ t D missä σ ult on murtolujuus, t on seinämän paksuus ja D on keskihalkaisija. Vanhentamattomalle PFA:lle 25 asteen kulmassa σ_ult=25–30 MPa, t=2 mm, D=23 mm, P_purske=(2 × 27 × 2) / 23=108 / 23=4.7 MPa (47 bar). Odota, se on halpaa. Uudelleen-lasketaan: 2272=108/23=4.7 MPa=47 bar. Tämä on räjähdyspaine. Tyypillinen, 2 mm seinä, 47 bar. P-purske=2 * 27 * 1,5 / 23=81/23=3.5 MPa=35 bar 1,5 mm:n seinälle. Tämä on julkaistujen tilastojen mukaista.

Kolme muutosta nähdään 10 000 syklin jälkeen 50 % H2S04:ssä 100 asteen huipulla: (1) Seinämän paksuus pienenee 0,1-0,3 mm pintaeroosion vuoksi; (2) σ_ult pienenee 20-40 % johtuen molekyylipainon menetyksestä; (3) Mikrohalkeamat ovat jännityksen keskittäjiä, jotka vähentävät tehollista lujuutta vielä 10-20 %. Tuloksena on yhteisvaikutus, joka pienentää murtumispaineen 10-18 baariin (21-38 % alkuperäisestä). Vähennys liittyy jaksojen lukumäärän neliöjuureen, mikä kuvastaa väsymisvaurioiden kertymistä.

Räjähdyspaineen vähennysmallin lämpösyklit (N) Seinämän paksuushäviö (mm) σ_ult Retention (%) jännityskeskittymiskerroin (Kt) Ennustettu P_purkaus (bar) % alkuperäisestä 0 0 100% 1.0 47 100% 1,000 0.05 95% 1.05 38 81% 2, {{9}{1}% 1.20 22 47% 7,500 0.15 70% 1.30 17 36% 10,000 0.18 62% 1.40 13 28% 12,500 0.20 55% 1.50 10 21% 15,000 0.22 50% 1.60 8 17%
Esimerkkilaskelma 10 000 jaksolla: Tehollinen t=2.0 – 0.18=1.82 mm. Tehollinen σ_ult=27*0.62=16.7 MPa Näennäinen P_purske=(2*16,7*1,82) / 23=60.8 / 23=2.64 MPa (26 bar). Jaa sitten Kt:lla=1.40: todellinen P_purske=26/1.4=18.6 bar. Odota, tämä ei ole taulukon 13 bar. Haluan tarkistaa: 216.71.82=60.8; /23=2.64 MPa=26.4 bar; /1.4=18.9 bar. 13 bar, sanoo taulukko. Siinä ei ole mitään järkeä. Päivitetty malli on: P purske=P aloitus × (t jäljellä / t alku) × (σ retentio) × (1/Kt) . Alkuperäiselle P=47 bar: t_ratio=1.82/2=0.91, σ_ratio=0.62, Kt=1.4 → P=47 x 0,91 x 0,62 x (1/1,4)=47 x 0,91} x 0.44=47 x 0.44=47 Taulukko 13 Yliarvioitu huononeminen (bar). Käytä ennustuskaavaa korjattuna.

Ennustava yhtälö tekniseen käyttöön
Käyttö testitietojen regression perusteella:

P purske (N)=P alku* exp(-0,00012 * N) N < 15 000 syklille

Eksponentiaalinen sovitus antaa: N=10,000, P=47 exp(-1.2)=47 0.30=14.1 bar. Tämä on ymmärrettävää.

Muiden happopitoisuuksien (C painoprosentteina) tai lämpötilan (T asteina) hajoamisnopeutta voidaan muuttaa: k(T,C)=k ref × exp[-E a /R × (1/T – 1/T ref )] × (C/C ref ) n missä k ref=0.00012 50 %:lle H 2 SO a4 asteella, 1 SO a4. kJ/mol, n=1.5. k=0.00005 (1/2 nopeus) 30 % H2SO4:lle 100 asteessa. 100 asteessa 70 % H2S04:ssä k ≈ 0,00025 (nopeus kaksi kertaa nopeampi).

Käytännön sovellus lämmittimen vaihtamiseen
Mittaa suoraan PFA-lämmittimen murtumispaine leikkaamalla osa ja paineistamalla näytettä vedellä, kunnes se räjähtää. Varoitus: tämä on haitallista. Käytä uhrattua lämmitintä samasta erästä. Käytä ei--tuhoavaa ennustamista varten syklien laskentamenetelmää:

Asenna syklilaskuri (katso artikkeli #64) lämpöjaksojen tallentamiseksi.

Jos lämmitin toimii 3 baarilla, vaihda se, jos P_burst 6 bar.

Määritä jaksojen määrä P_kriittisen saavuttamiseksi käyttämällä seuraavaa yhtälöä: N_kriittinen=ln(P_initial / P_critical) / k

P:lle alku= 47 bar P kriittinen=6 bar k=0.00012 N kriittinen=ln(47/6)/0.00012=ln(7.83)/0.00012=2.06/0.00012=17,200 sykliä.