재킷형 반응기 및 오토클레이브의 전기 침지 히터를 담당하는 공정 엔지니어의 경우 배치 화학 처리의 열 순환 요구로 인해 연속 서비스에서는 거의 볼 수 없는 독특한 피로 조건이 발생합니다. 반응기는 화학 반응의 요구에 따라 가열 속도가 제어되면서 하루에 여러 번 20도에서 200도까지 순환할 수 있습니다. 316 스테인리스강 외장의 벽 두께는 이러한 주기에 대한 응력{5}}변형 반응을 근본적으로 변경합니다. 직관에 반해 두꺼운 2.5mm 벽은 플라스틱 래칫팅으로 인해 파손될 수 있습니다.{8}}각 사이클마다 한 방향으로 변형이 점진적으로 축적됩니다.- 반면 얇은 1.2mm 벽은 탄성을 유지하고 무기한 유지됩니다. 이 기사에서는 재킷형 원자로 가열 서비스에서 1.2mm 외장이 파손되기 전에 2.5mm 316 외장이 파손되는 열 주기 주파수와 온도 변화의 특정 조합을 식별합니다.
두꺼운-벽으로 둘러싸인 외장의 플라스틱 래칫팅 메커니즘
플라스틱 래칫팅은 부품이 한 방향에서는 재료의 항복 강도를 초과하지만 그 반대 방향에서는 초과하지 않는 주기적 열 응력을 경험할 때 발생합니다. 빠른 가열을 받는 두꺼운-벽의 316 외장의 경우 외부 표면이 내부 표면보다 더 많이 팽창하여 외부에 압축 응력이 발생하고 내부에 인장 응력이 생성됩니다. 이 응력이 항복을 초과하면 재료가 소성 변형됩니다. 냉각하는 동안 외부 표면은 더 빠르게 수축하여 응력 방향을 바꿉니다. 냉각 응력이 항복을 초과하지 않으면 재료가 원래 상태로 완전히 돌아가지 않습니다. 각 가열 주기마다 인장 변형률이 조금씩 증가하여 내부 표면에 축적됩니다. 수천 번의 사이클 후에 이 래칫 변형은 5~10%에 도달하여 얇아지고 결과적으로 균열이 발생할 수 있습니다. 1.2mm 얇은 벽의 경우 벽 전체의 온도 구배가 훨씬 작으므로 가열 및 냉각 모두에서 열 응력이 항복 이하로 유지되어 래칫 현상이 발생하지 않습니다. 중요한 매개변수는 Biot 수({13}})이며 내부 전도 저항과 외부 대류 저항의 비율입니다. 점성 반응기 유체와 같은 낮은- 대류 매체의 두꺼운 벽의 경우 Biot 수가 래칫 임계값을 초과합니다.
래칫 실패에 대한 정량적 임계값
자연 대류 열 전달(계수 200W/m²·K)을 사용하는 재킷형 원자로 서비스의 316개 피복에 대한 유한 요소 분석은 다음 임계값을 설정합니다. 2.5mm 벽의 경우 주기당 온도 변화가 120도를 초과하고 가열 속도가 분당 5도를 초과하면 래칫팅이 시작됩니다. 150도의 델타와 분당 10도의 가열 속도에서 사이클당 래칫 변형률은 약 0.02%입니다. 10,000사이클 후에 총 누적 변형률은 2%에 도달하여 측정 가능한 벽이 얇아집니다. 25,000사이클 후에 변형률은 5%에 도달하고 눈에 띄는 균열이 발생합니다. 동일한 조건에서 1.2mm 벽의 경우 최대 열 응력은 120MPa에 불과하므로-150도에서 316의 200MPa 항복 강도보다 훨씬 낮으므로-래칫 현상이 발생하지 않습니다. 180도 이상의 온도 변화에서 1.2mm 벽은 래칫 현상이 발생하기 시작하지만 2.5mm 벽은 130도 변화에서 파손됩니다. 따라서 래칫 반전의 임계 델타는 120–140도입니다. 이 범위 아래에서는 벽이 래칫되지 않습니다. 이 범위를 초과하면 2.5mm 벽이 래칫으로 움직이는 반면 1.2mm 벽은 훨씬 더 높은 델타까지 탄성을 유지합니다.
316 외장 벽 두께에 대한 중요한 래칫팅 임계값
다음 표는 재킷형 원자로 서비스에서 다양한 316 외피 벽 두께에 대해 플라스틱 래칫팅이 시작되는 임계 온도 델타 및 가열 속도 조합을 제공합니다. 값은 점성 유체(200W/m²·K)의 자연 대류와 최대 작동 온도 200도를 가정합니다.
| 외장 벽 두께 | 래칫팅 시작을 위한 최소 온도 변화 | 150도 델타에서 래칫팅을 위한 최소 가열 속도 | 150도 델타, 10도/분에서 사이클당 래칫팅 변형률 | 2% 변형률 축적으로 순환 | 실패 주기(5% 변형) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.8 – 1.0mm | 180도 이상 | 20도/분 이상 | 180도 이하 없음 | 해당 없음 | 해당 없음 |
| 1.2 – 1.4mm | 170도 이상 | 15도/분 이상 | 170도 이하 없음 | 해당 없음 | 해당 없음 |
| 1.6 – 1.8mm | 150 – 160도 | 12 – 15도/분 | 0.005 – 0.010% | 20,000 – 40,000 | 40,000 – 80,000 |
| 2.0 – 2.2mm | 130~140도 | 8 – 10도/분 | 0.015 – 0.025% | 8,000 – 13,000 | 20,000 – 30,000 |
| 2.5 – 2.8mm | 120 – 130도 | 5 – 8도/분 | 0.020 – 0.035% | 5,000 – 10,000 | 12,000 – 25,000 |
하루에 두 번 20도에서 200도(델타 180도)로 순환하는 배치 반응기의 경우 연간 주기 수는 약 730주기입니다. 이 델타에서 2.5mm 외장은 주기당 0.025~0.035%의 변형률을 축적하여 5,000~8,000주기 또는 7~11년 후에 2%의 변형률에 도달합니다. 1.2mm 피복은 래칫 현상이 발생하지 않으며 부식이나 진동 피로와 같은 다른 메커니즘으로 인해 파손될 수 있습니다. 뜨거운 오일 순환 또는 증기를 사용하는 원자로와 같이 가열 속도가 더 빠른 원자로의 경우-래칫 시작은 낮은 델타에서 발생합니다. 분당 20도의 속도로 50도에서 200도까지 가열되는 반응기는 150도의 델타를 생성하지만 매우 높은 열 구배를 생성합니다. 이러한 조건에서 2.5mm 보호관은 2,000주기(하루 2주기로 3년) 이내에 파손될 수 있지만 1.2mm 보호관은 안전합니다.
래칫 현상을 방지하기 위한 설계 수정
순환 원자로 서비스에서 압력 억제 또는 부식 허용을 위해 두꺼운 벽으로 둘러싸인 316 외장이{0}}필요한 경우 세 가지 설계 수정으로 플라스틱 래칫팅을 방지할 수 있습니다. 첫 번째는 가열 속도를 제한하는 것입니다. 분당 10도에서 분당 3도로 램프 속도를 줄이면 일시적인 열 구배가 약 60% 감소하여 2.5mm 벽에서도 응력이 항복 이하로 유지됩니다. 두 번째 수정은 대기 온도로 냉각하는 대신 원자로를 최소 대기 온도 80도까지 예열하는 것입니다. 델타를 180도에서 100도로 줄이면 벽 두께에 관계없이 래칫 현상이 완전히 제거됩니다. 세 번째 수정은 온도에서 열 팽창이 낮고 항복 강도가 높은 재료를 지정하는 것입니다. 인코로이 800H는 316의 17×10⁻⁶/도에 비해 14×10⁻⁶/도의 열팽창계수를 가지며, 200도에서도 더 높은 강도를 유지합니다. 이 조합은 동일한 델타 및 벽 두께에 대해 열 응력을 약 25% 감소시킵니다. 대부분의 배치 반응기 응용 분야에서 1.2~1.6mm 벽 두께를 선택하면 충분한 기계적 강도를 제공하면서 래칫 현상이 완전히 방지됩니다. 주기적 서비스에서 "내구성"을 위해 두꺼운 벽을 자동으로 지정하는 엔지니어는 래칫팅으로 인해 조기에 실패하는 설계를 실수로 선택할 수 있습니다. 올바른 사양을 위해서는 예상 사이클 델타와 가열 속도를 분석한 다음 압력 및 부식 요구 사항을 충족하는 가장 얇은 벽을 선택해야 합니다. 확실하지 않은 경우 특정 사이클 조건의 유한 요소 모델링을 사용하여 히터 제조업체에 래칫 분석을 요청하십시오. 이 분석을 제공할 수 없는 공급업체는 순환 열 서비스에서 두꺼운 벽으로 둘러싸인 피복의 고유한 고장 메커니즘을 이해하지 못할 수도 있습니다.
