Le scénario de panne de vapeur
Un système de chauffage d'un réacteur chimique perd la pression de la vapeur en raison d'un déclenchement de la chaudière. Le réacteur contient un fluide de traitement à 120 degrés. L'échangeur de chaleur, quelques instants plus tôt, à une température de vapeur interne de 143 degrés, commence à refroidir à mesure que le fluide du réacteur extrait de la chaleur. Le refroidissement est rapide-l'espace vapeur, désormais dépressurisé, peut aspirer de l'air ambiant qui accélère le refroidissement. En 15 à 20 minutes, l'échangeur atteint la température du fluide du réacteur de 120 degrés. Lorsque la vapeur est restituée 45 minutes plus tard, l'échangeur est rapidement réchauffé.
Ce cycle thermique imprévu-de 143 degrés à 120 degrés et retour en moins d'une heure-est un transitoire relativement doux selon les normes du choc thermique. Or, pour certains matériaux, l’accumulation répétée de tels transitoires au fil des années d’exploitation de l’usine provoque des dommages progressifs.
L'acier émaillé (-revêtu de verre) et le PTFE réagissent à ces phénomènes transitoires par des mécanismes fondamentalement différents. Le revêtement en verre, une céramique fragile fusionnée à un substrat en acier ductile, développe des contraintes à l'interface verre-acier à chaque cycle thermique. Le PTFE, un polymère viscoélastique homogène, s'adapte à la contrainte thermique par relaxation moléculaire sans accumuler de contrainte interfaciale.
Le mécanisme de discordance thermique verre-acier
L'acier vitrifié-est un composite de deux matériaux avec des coefficients de dilatation thermique différents : le verre borosilicaté à environ 3-6 × 10⁻⁶/degré et l'acier au carbone à environ 12-15 × 10⁻⁶/degré. La différence 2 à 5 × signifie que lors de tout changement de température, l'acier se dilate ou se contracte plus que le verre. Les contraintes de cisaillement se développent à l'interface verre-acier.
Lors de changements de température normaux et lents,-chauffage et refroidissement contrôlés--à 2-3 degrés par minute : la contrainte reste inférieure au seuil de fracture du verre. Le revêtement en verre est soumis à une contrainte de compression à température ambiante (de par sa conception, lors du processus de fabrication), ce qui offre une marge contre la rupture en traction.
Lors d'une coupure rapide de vapeur, le changement de température est plus rapide que la base de conception. L’acier se contracte plus rapidement que le verre ne peut le supporter grâce à sa contrainte élastique limitée. La précontrainte de compression-dans le verre est partiellement soulagée. Lors du réchauffage ultérieur, l'acier se dilate plus rapidement que le verre, mettant potentiellement le verre en tension. Des cycles répétés de cette inversion de contrainte provoquent des micro-fissures au niveau des défauts existants dans les bulles de verre-, des inclusions ou des rayures de surface dues au service.
| Paramètre de fatigue thermique | Acier émaillé (-doublé de verre) | PTFE |
|---|---|---|
| Structure matérielle | Verre fragile sur acier ductile | Polymère viscoélastique homogène |
| Inadéquation de dilatation thermique | Oui (verre 3-6, acier 12-15 × 10⁻⁶/degré) | N/A (homogène) |
| Stress lors d'un refroidissement rapide | Cisaillement d'interface ; le verre peut entrer en tension | Aucun (relaxation viscoélastique) |
| Sites d'initiation au crack | Défauts de verre existants | Aucun (aucun défaut) |
| Propagation des fissures | Fragile; une fois initié, grandit à chaque cycle | Non applicable (pas de mécanisme de fissure aux contraintes de service) |
| Mode de défaillance | Écaillage du verre ; exposition en acier; corrosion | Amincissement progressif |
| Cycles thermiques sûrs avant dommages | 500 -2 000 (en fonction du défaut) | >100 000 (pas de cumul) |
| Inspection des dommages | Test d'étincelle requis | Mesure d'épaisseur par ultrasons |
Le mécanisme d’accommodation du PTFE
Le PTFE réagit à un changement de température par déformation viscoélastique. Les chaînes polymères, avec leur grande mobilité moléculaire à des températures supérieures à la transition vitreuse, se réorganisent pour s'adapter à la contrainte thermique. Aucune contrainte ne s'accumule aux interfaces car il n'y a pas d'interfaces-le matériau est homogène. Aucune fissure ne se produit car la déformation est inférieure à la limite élastique du matériau aux vitesses de déformation associées au transitoire.
Le changement de température de 23 degrés du scénario de panne de vapeur (143 degrés à 120 degrés) produit une contrainte thermique d'environ 0,28 % dans le PTFE (120 × 10⁻⁶/degré × 23 degrés). Cette déformation est d'un ordre de grandeur inférieure à la limite élastique de 2 à 3 % pour le PTFE à ces températures. Le matériau répond de manière élastique, avec une récupération complète lorsque la température revient à la normale.
Les cycles répétés de coupure de vapeur n’accumulent pas de dommages dans le PTFE. Chaque cycle est un événement indépendant qui laisse le matériau inchangé. Les 15 à 20 événements de ce type qu’une usine chimique typique pourrait connaître sur une décennie sont bien inférieurs à la limite d’endurance.
La différence entre l’entretien et l’inspection
L'acier vitrifié-exige des tests d'étincelles périodiques pour détecter les fissures et les éclats dans le revêtement vitré. Un événement de panne de vapeur peut créer des micro-fissures qui sont indétectables par des tests d'étincelles immédiatement après l'événement, mais qui se propagent au cours des semaines et des mois suivants. Les dommages peuvent ne pas être découverts avant la prochaine inspection programmée-ou jusqu'à ce qu'une fuite se développe.
Le PTFE nécessite une mesure d'épaisseur par ultrasons pour suivre l'amincissement par fluage. La mesure est rapide, quantitative et n'est pas affectée par l'historique des transitoires thermiques. Il n’y a aucun dommage caché à découvrir.
Résumé
Les échangeurs de chaleur en PTFE sont fondamentalement plus résistants que l'acier émaillé à la fatigue thermique due aux pannes de vapeur et aux événements de refroidissement rapide. Le polymère viscoélastique homogène s'adapte aux contraintes thermiques sans accumulation de contraintes, tandis que l'acier doublé de verre-développe une contrainte de cisaillement interfaciale qui peut initier et propager des fissures au niveau des défauts du verre. Le PTFE élimine le besoin de tests d'étincelles et le risque de dommages non détectés au revêtement pouvant entraîner la corrosion de la coque en acier.
Une assistance technique pour la sélection des matériaux PTFE par rapport à l'acier émaillé en service à cycle thermique est disponible sur présentation des plages de températures normales et anormales, de la fréquence des cycles, de la chimie du processus et des dossiers d'inspection actuels de l'équipement.
