Quel est l'effet d'une dépressurisation rapide sur un réchauffeur PFA fonctionnant à 2 bars ?

Dans les systèmes sous pression tels que les autoclaves, les réacteurs sous pression ou les réservoirs scellés, les réchauffeurs PFA sont conçus pour fonctionner avec la pression interne s'équilibrant avec celle du système. Lors d'une dépressurisation rapide du système (coupure de vide ou évent d'urgence), la différence de pression à travers la gaine PFA est inversée. Dans des conditions normales de fonctionnement à 2 bar (abs), la pression dans le réchauffeur (l'espace entre le PFA et le noyau) est à peu près égale à la pression du système. En cas de ventilation rapide à 1 bar (atmosphérique), la pression du système ira à 1 bar, mais la pression dans l'espace annulaire du réchauffeur peut rester à 2 bars pendant quelques secondes à quelques minutes, en fonction de la perméation et des chemins de ventilation. Cela provoque une différence de pression allant jusqu'à 1 bar (14,5 psi) de l'intérieur vers l'extérieur, mettant la gaine PFA en contrainte circonférentielle. Pour un élément chauffant PFA avec un diamètre extérieur de 25 mm et une paroi de 2 mm, une différence de 1 bar donne une contrainte circulaire de=PD / (2 t)=0.1 25 / (2 2)=2.5 / 4=0.625 MPa, bien inférieure à la résistance à la traction du PFA (12-15 MPa). Un incident de dépressurisation n’est donc pas catastrophique. Des dépressurisations rapides et répétées (centaines de cycles) provoquent cependant des fissures de fatigue. L'effet est cumulatif, des microfissures s'initient au contact après 500 à 2 000 cycles, progressant vers une perméation et une éventuelle rupture.

Différences de contraintes et de pression à la dépressurisation
Le processus principal n'est pas la contrainte circulaire due à la différence de pression, mais le refroidissement rapide qui accompagne généralement la dépressurisation. Une expansion et un refroidissement adiabatiques se produiront pendant la dépressurisation en service de vapeur ou de vapeur. Si le système est à vapeur saturée de 2 bars (120 degrés), une ventilation rapide à 1 bar diminue immédiatement la température à 100 degrés (par expansion). Le chauffage PFA à 120 degrés subit un choc thermique de 20 degrés. La combinaison de la différence de pression (contrainte circulaire de 0,625 MPa) et du choc thermique (gradient de température à travers le mur) provoque une contrainte maximale plus importante à l'interface métallique PFA-. Une trempe à 20 degrés avec une différence de pression de 1 bar-approchant de la limite de fatigue entraîne une contrainte maximale de 3 à 5 MPa en utilisant l'analyse par éléments finis.

Pour les systèmes sans-vapeur (liquide uniquement), la dépressurisation ne refroidit pas car les liquides sont presque incompressibles. Cependant, les gaz dissous peuvent s'échapper de la solution et produire des bulles qui s'effondrent à la surface du PFA (cavitation). L'érosion par cavitation (voir article n° 13) est plus destructrice que la différence de pression seule.

Le pire des cas est une dépressurisation rapide d'un système chaud et saturé dans lequel le PFA a absorbé de l'eau ou des vapeurs acides. À mesure que la pression chute, les substances volatiles absorbées se transforment en vapeur à l'intérieur de la paroi du PFA, générant des cloques internes (voir l'article n° 61). A 120 degrés, le PFA saturé d'eau est susceptible de former des cloques à une différence de 1 bar.

Résumé des effets par type de système
Type de système Conditions de fonctionnementTaux de dépressurisation Contraintes primaires Dommages au PFA Défaillance du mécanisme Cycles critiques
Liquide uniquement (pas de gaz en solution)2 bars, 80 degrés Rapide (<1 sec) Hoop tension 0.6 MPaNone (too little tension) >10 000 (fatigue non significative)
Liquide avec air dissous 2 bars, 80 degrés Cavitation rapide par dégazage Piqûres de surface 1 000 à 5 000
Vapeur saturée 2 bars, 120 degrés Choc thermique rapide (20 degrés) + cerceau Fatigue de l'interface 500–2 000
Superheated water (>100 degrés) 2 bars, 120 degrés Clignotement rapide pour vaporiser dans du PFA Cloquage interne 200-1 000
Vapeur d'acide + vapeur 2 bars, 130 degrés Rapide Perméation des vapeurs d'acide éclairs + chaleur Cloquages ​​+ fissures 100–500
Tout avec imprégnation de PFAToute génération de vapeur interne CloquageSaturé : événement unique-
Quantification de l'effet des dépressurisations répétées
Exemple : réchauffeur PFA en service vapeur saturée à 120 degrés, 2 bars, 10 dépressurisations rapides par jour. (par exemple cycles de lots quotidiens avec ventilation) Durée de vie :

Pas de dépressurisation : durée de vie de base 5 à 8 ans (cyclage thermique)

Avec décompression : Durée de vie 1 à 3 ans

La réduction est due à la combinaison du choc thermique (dû au refroidissement adiabatique) et des contraintes circulaires. Si la vapeur est surchauffée (pas d'eau liquide), le refroidissement est moins sévère puisqu'aucune chaleur latente n'est dégagée. La vapeur surchauffée à 150 degrés, 2 bars, refroidie à 120 degrés lors de la dépressurisation (diminution de 30 degrés) induira un stress thermique supplémentaire.

La dépressurisation rapide a peu d'effet sur les systèmes uniquement liquides (pas de vapeur). La contrainte circonférentielle de 0,6 MPa est bien inférieure aux 5 à 10 MPa typiques du cyclage thermique. La principale contrainte est causée par la dilatation différentielle lors du chauffage/refroidissement, et non par la pression.

Dépressurisation-Atténuation des systèmes sujets à la dépressurisation
Si une dépressurisation rapide ne peut être évitée, procédez comme suit :

Augmentez le temps de ventilation de 1 seconde à 30 à 60 secondes, ventilez lentement. Cela élimine le choc thermique et permet au PFA d’égaliser la pression sans stress.

Installez une conduite d'égalisation de pression. Connectez la zone annulaire entre le PFA et le noyau à la pression du système à l’aide d’un tube de petit alésage. Cela évite les différences de pression lors de la ventilation.

Optez pour un PFA plus épais : paroi de 2,5-3,0 mm =, ce qui correspond à moins de tension du cerceau. Pour une contrainte de cerceau mural de 3 mm à 1 bar=0.1 x 25 / 2 x 3=0.42 MPa, encore moins.

Séchez le PFA : Si le PFA n’est pas saturé d’eau ou d’acide, le flash ne se produira pas. En cas de dépressurisation régulière, gardez les radiateurs au sec et évitez une immersion prolongée dans des fluides pénétrants.

Check post-events: Check the insulation resistance after any fast depressurisation. Damage is indicated by drops >20%

Exemple sur le terrain
Un réacteur pharmaceutique utilisant des réchauffeurs PFA dans un récipient sous pression chauffé à la vapeur à 120 degrés, 2 bars. Le cycle consistait en une dépressurisation rapide (5 s) à la fin de chaque lot (10 lots/jour). Les radiateurs tombaient en panne tous les 8 à 12 mois à cause des brûlures sur la surface du PFA. L'usine a modifié le cycle pour ventiler sur 60 secondes. Pas de cloques et la durée de vie du radiateur est de 4+ ans. Les 55 secondes supplémentaires pour chaque lot (10 minutes/jour) étaient tolérables. Sinon, rien n'a changé.

Conclusion : une dépressurisation rapide n'endommage que le PFA en service de vapeur
Les réchauffeurs PFA sont peu sensibles à une dépressurisation rapide à partir de 2 bars dans le cas de systèmes à liquide uniquement (contrainte circonférentielle 1 MPa considérablement inférieure à la limite de fatigue). En service de vapeur saturée ou de vapeur, le choc thermique (20 à 30 degrés), l'éclair interne des substances volatiles pénétrées et les contraintes circulaires entraînent de la fatigue, des fissures et des cloques après 500 à 2 000 cycles, limitant la durée de vie du réchauffeur de 50 à 80 %. La ventilation doit être effectuée doucement (30 à 60 secondes) pour éviter d'endommager le PFA. Ajoutez des conduites d’égalisation de pression ou du PFA sec avant le fonctionnement sous pression. Si votre système se ventile rapidement et dégage de la vapeur ou des vapeurs chaudes, supposez que votre radiateur PFA est endommagé. Testez, réduisez ou acceptez une durée de vie réduite. C'est la vapeur qui pose problème, pas la pression. Contrôlez la vapeur, contrôlez les dommages.