Thermal Fatigue

 

Thermal Fatigue

4.2.9 Thermal Fatigue

4.2.9.1 Damage का Description
Thermal fatigue, temperature में बार-बार होने वाले बदलावों (cyclic stresses) के कारण उत्पन्न होता है। इसमें damage crack के रूप में होता है, जो किसी भी metallic component में हो सकता है जहाँ relative movement या differential expansion constrained हो और बार-बार thermal cycling हो रहा हो।

4.2.9.2 Affected Materials
यह सभी materials of construction को affect कर सकता है।

4.2.9.3 Critical Factors
Thermal fatigue को प्रभावित करने वाले मुख्य factors हैं temperature swing का magnitude और cycles की frequency (number of cycles)।

Failure का time stress के magnitude और cycles की संख्या पर depend करता है। जैसे-जैसे stress और cycles बढ़ते हैं, failure का समय कम होता जाता है।

Startup और shutdown operations thermal fatigue की susceptibility बढ़ाते हैं। कोई fixed limit नहीं है, लेकिन practical रूप से यदि temperature swing लगभग 200°F (93°C) से अधिक हो तो cracking की संभावना मानी जाती है।

Rapid surface temperature changes भी damage को बढ़ाते हैं, जिससे thermal gradient बनता है। उदाहरण:

• Hot tube पर cold water पड़ना (thermal shock)
• Rigid attachments के कारण constrained expansion
• Differential expansion को accommodate करने में असमर्थ design

Notches (जैसे weld toe) और sharp corners (जैसे nozzle-shell junction) stress concentration बनाकर crack initiation sites बन सकते हैं।

4.2.9.4 Affected Units or Equipment
Hot और cold streams के mix points thermal fatigue के common examples हैं, जैसे hydroprocessing units में hydrogen mix points। Steam systems में condensate contact वाले areas (de-superheating, attemperation equipment) भी प्रभावित होते हैं।

Coke drum shells में thermal fatigue cracking major problem रहा है। Coke drum skirts में भी temperature difference के कारण stresses develop होकर cracking होती है।

Steam generating equipment में:

• Superheater और reheater tubes के rigid attachments
• Slip spacers का jam हो जाना (fly ash plugging से)
• Waterwall crossing tubes के header connections पर cracking

Steam soot blowers में यदि first steam में condensate हो, तो sudden cooling से thermal fatigue हो सकती है। Water lancing या water cannon भी यही effect पैदा कर सकते हैं।

4.2.9.5 Appearance or Morphology of Damage
Thermal fatigue cracks आमतौर पर component की surface से initiate होते हैं। ये cracks अक्सर wide होते हैं और high temperature exposure के कारण oxide से भरे होते हैं।

Cracks single या multiple हो सकते हैं। ये stress के perpendicular direction में propagate करते हैं और अक्सर dagger-shaped, transgranular और oxide-filled होते हैं।

Steam generating equipment में cracks अक्सर fillet weld toe के along होते हैं क्योंकि thickness change stress concentration बनाता है। Attachment lug के end से शुरू होकर circumferential cracks develop हो सकते हैं।

Soot blower water के कारण “crazing pattern” बन सकता है, जिसमें मुख्य cracks circumferential और secondary cracks axial होते हैं।

4.2.9.6 Prevention / Mitigation
Thermal fatigue को best तरीके से design और operation के माध्यम से control किया जाता है ताकि thermal stresses और cycling कम हो सके।

मुख्य prevention methods:

• Stress concentrators को reduce करना (smooth transitions, weld profile blending)
• Startup और shutdown के दौरान controlled heating/cooling rates रखना
• Dissimilar materials के बीच differential thermal expansion को consider करना
• Design में पर्याप्त flexibility देना

Steam generating equipment में:

• Slip spacers को freely slip करने योग्य बनाना और rigid attachments avoid करना
• Soot blower में drainage lines देना ताकि condensate न रहे

कुछ cases में liners या sleeves का उपयोग किया जाता है ताकि cold liquid सीधे hot pressure boundary wall से contact न करे।

4.2.9.7 Inspection and Monitoring
Thermal fatigue cracks अक्सर surface connected होते हैं, इसलिए:

• Visual examination (VT)
• Magnetic Particle Testing (MT)
• Liquid Penetrant Testing (PT)
  effective methods हैं।

External SWUT internal cracking के लिए non-intrusive inspection में उपयोग होता है, खासकर जहाँ reinforcing pads हों।

Heavy wall reactor internal welds के लिए specialized ultrasonic techniques उपयोग की जाती हैं।

4.2.9.8 Related Mechanisms
Related mechanisms में corrosion fatigue (4.5.2) और dissimilar metal weld cracking (4.2.12) शामिल हैं।

4.2.9.9 References
Steam generation, boiler failure analysis और metallurgical failure studies पर आधारित industry references दिए गए हैं।