Globe technical Training and Engineering Services: Thermal Shock

Thermal Shock

4.2.13 Thermal Shock

4.2.13.1 Description of Damage

Thermal Shock, Thermal Fatigue Cracking का एक विशेष रूप है। यह तब होता है जब किसी equipment में बहुत कम समय के भीतर अत्यधिक और non-uniform thermal stresses विकसित हो जाते हैं। ये stresses सामान्यतः differential expansion या contraction के कारण उत्पन्न होते हैं। यदि material का expansion या contraction किसी कारण से restrained हो, तो stress material की yield strength से भी अधिक हो सकता है।

Thermal Shock प्रायः तब होता है जब कोई cold liquid किसी high temperature metal surface के संपर्क में आता है। इस अचानक temperature difference के कारण metal में severe thermal stress develop होता है, जिससे cracking हो सकती है।

4.2.13.2 Affected Materials

सभी प्रकार के metals और alloys Thermal Shock से प्रभावित हो सकते हैं।

4.2.13.3 Critical Factors

Thermal Shock की severity मुख्य रूप से temperature differential और material के coefficient of thermal expansion पर निर्भर करती है। Temperature difference जितना अधिक होगा, stress उतना ही अधिक उत्पन्न होगा।

Material में temperature cycling के कारण उत्पन्न cyclic stresses fatigue cracks initiate कर सकते हैं।

Stainless Steels का coefficient of thermal expansion, carbon steel, low alloy steel तथा nickel base alloys की तुलना में अधिक होता है, इसलिए इनमें thermal stresses अधिक develop होते हैं।

निम्न परिस्थितियाँ Thermal Shock को बढ़ावा देती हैं:

Fire exposure के दौरान अचानक temperature changes
Rain water या fire water deluge के कारण rapid cooling
Component पर restraint होना, जिससे free expansion या contraction संभव न हो
Cast components (जैसे valves) में casting defects के आसपास crack initiation
Thick section components, जिनमें high thermal gradients develop हो सकते हैं

4.2.13.4 Affected Units or Equipment

Thermal Shock विशेष रूप से उन units में पाया जाता है जहाँ operating temperatures बहुत अधिक होती हैं, जैसे:

FCC Units
Coker Units
Catalytic Reforming Units
High Severity Hydroprocessing Units

इसके अलावा किसी भी process unit की high temperature piping और equipment प्रभावित हो सकती है।

वे materials जिनकी ductility पहले से कम हो चुकी हो, जैसे CrMo equipment affected by Temper Embrittlement, Thermal Shock के प्रति अधिक susceptible होते हैं।

ऐसे equipment जिनमें shutdown time कम करने के लिए accelerated cooling procedures अपनाई जाती हैं, उनमें भी Thermal Shock का खतरा अधिक होता है।

4.2.13.5 Appearance or Morphology of Damage

Thermal Shock damage सामान्यतः surface से initiate होने वाली cracks के रूप में दिखाई देता है।

कई मामलों में cracks का pattern "Craze Cracks" जैसा दिखाई देता है, जिसमें surface पर अनेक छोटी-छोटी interconnected cracks बन जाती हैं।

4.2.13.6 Prevention / Mitigation

Thermal Shock को रोकने के लिए निम्न उपाय अपनाए जा सकते हैं:

High temperature lines में flow interruptions से बचना
Design में severe restraint को minimize करना
Pressure boundary components पर liquid impingement रोकने के लिए thermal sleeves install करना
Rain water और fire water deluge situations को minimize करना
Hot और cold injection points का review करना ताकि संभावित Thermal Shock locations की पहचान की जा सके
Startup, shutdown तथा emergency cooling procedures को carefully control करना

4.2.13.7 Inspection and Monitoring

यह damage बहुत localized होता है, इसलिए इसकी location पहचानना अक्सर कठिन होता है।

Cracking की पुष्टि के लिए निम्न NDE techniques उपयोग की जाती हैं:

PT (Liquid Penetrant Testing)
MT (Magnetic Particle Testing)

4.2.13.8 Related Mechanisms

Thermal Shock का सबसे निकट संबंध Thermal Fatigue (Section 4.2.9) से है, क्योंकि दोनों mechanisms temperature variations के कारण उत्पन्न thermal stresses से संबंधित हैं।

4.2.14 Erosion / Erosion-Corrosion (हिंदी अनुवाद – Technical Terms English में)

4.2.14.1 Description of Damage

Erosion वह damage mechanism है जिसमें किसी metal surface से material का accelerated mechanical removal होता है। यह removal solids, liquids, vapors या इनके combination के relative movement अथवा impact के कारण होता है।

Erosion-Corrosion उस damage को दर्शाता है जिसमें corrosion, erosion को और अधिक बढ़ा देता है। Corrosion protective films या oxide scales को हटा देता है या metal surface को आगे होने वाले corrosion के लिए expose कर देता है। इस प्रकार erosion और corrosion की combined action के कारण metal loss की दर काफी बढ़ जाती है।

4.2.14.2 Affected Materials

Erosion और Erosion-Corrosion सभी metals, alloys तथा refractories को प्रभावित कर सकते हैं।

4.2.14.3 Critical Factors

अधिकांश मामलों में corrosion किसी न किसी रूप में उपस्थित होता है, इसलिए pure erosion (जिसे कभी-कभी abrasive wear भी कहा जाता है) बहुत कम देखने को मिलता है। इसलिए यह समझना महत्वपूर्ण है कि corrosion इस damage mechanism में कितना योगदान दे रहा है।

Metal loss rate मुख्य रूप से impacting medium की velocity और concentration पर निर्भर करती है। इसमें particles, liquids, droplets, slurries तथा two-phase flow शामिल हो सकते हैं। इसके अतिरिक्त impacting particles का size, hardness और shape तथा जिस material पर erosion हो रहा है उसकी hardness, corrosion resistance और angle of impact भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

Copper alloys और aluminum alloys जैसे relatively softer alloys mechanical damage से आसानी से घिस जाते हैं, इसलिए high velocity conditions में इनमें severe metal loss हो सकता है।

यद्यपि substrate hardness बढ़ाना erosion damage को कम करने का एक सामान्य उपाय है, लेकिन यह हमेशा बेहतर erosion resistance की गारंटी नहीं देता, विशेष रूप से तब जब corrosion भी महत्वपूर्ण भूमिका निभा रहा हो।

प्रत्येक environment-material combination के लिए एक threshold velocity होती है, जिसके ऊपर impacting particles या fluids metal loss उत्पन्न करना शुरू कर देते हैं। इस threshold से ऊपर velocity बढ़ने पर metal loss rate भी बढ़ जाती है।

Impacting medium का size, shape, density और hardness भी erosion rate को प्रभावित करते हैं। कठोर और भारी particles सामान्यतः अधिक नुकसान पहुंचाते हैं।

यदि environment की corrosivity बढ़ जाती है, तो protective surface films की stability कम हो जाती है और metal loss की संभावना बढ़ जाती है। Metal surface से dissolved ions के रूप में या corrosion products के रूप में material हट सकता है, जिन्हें बाद में flowing fluid mechanically sweep कर देता है।

Temperature, pH तथा अन्य factors जो environment की corrosivity बढ़ाते हैं, वे erosion-corrosion के प्रति susceptibility को भी बढ़ा देते हैं।

4.2.14.4 Affected Units or Equipment

Moving fluids अथवा catalyst के संपर्क में आने वाले लगभग सभी प्रकार के equipment erosion तथा erosion-corrosion के प्रति susceptible होते हैं। इनमें piping systems, bends, elbows, tees, reducers, letdown valves के downstream piping, block valves, pumps, blowers, propellers, impellers, agitators, agitated vessels, heat exchanger tubes, orifice meters, turbine blades, nozzles, ducts, vapor lines, scrapers, cutters तथा wear plates शामिल हैं।

Refineries में erosion gas-borne catalyst particles या liquid slurry में उपस्थित particles के कारण हो सकता है। यह damage विशेष रूप से FCC reactor/regenerator systems, catalyst handling equipment (जैसे valves, cyclones, piping और reactors), slurry piping, delayed coker तथा fluidized bed coker units के coke handling systems में पाया जाता है। इसके अतिरिक्त pumps, compressors तथा अन्य rotating equipment भी wear का शिकार होते हैं।

Hydroprocessing reactor effluent piping में ammonium bisulfide के कारण erosion-corrosion हो सकता है। इस स्थिति में metal loss rate ammonium bisulfide concentration, flow velocity तथा alloy की corrosion resistance पर निर्भर करती है।

Crude unit और vacuum unit की piping तथा vessels, जो कुछ crude oils में उपस्थित naphthenic acids के संपर्क में रहते हैं, उनमें भी severe erosion-corrosion हो सकता है। Damage की गंभीरता temperature, velocity, sulfur content और TAN (Total Acid Number) पर निर्भर करती है।

4.2.14.5 Appearance or Morphology of Damage

Erosion और erosion-corrosion आमतौर पर localized wall thinning के रूप में दिखाई देते हैं। Damage pits, grooves, gullies, waves, rounded holes तथा valleys के रूप में विकसित हो सकता है। इनका pattern प्रायः flow direction के अनुरूप दिखाई देता है।

यह damage कई बार बहुत कम समय में failure का कारण बन सकता है, विशेषकर तब जब velocity अधिक हो और corrosive conditions मौजूद हों।

4.2.14.6 Prevention / Mitigation

Erosion को कम करने के लिए equipment design में सुधार किए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए pipe diameter बढ़ाकर velocity कम की जा सकती है, bends को streamline किया जा सकता है ताकि impingement कम हो, wall thickness बढ़ाई जा सकती है तथा replaceable impingement baffles लगाए जा सकते हैं।

Erosion resistance बढ़ाने के लिए सामान्यतः substrate hardness बढ़ाई जाती है। इसके लिए harder alloys, hardfacing techniques अथवा surface hardening treatments का उपयोग किया जाता है। FCC cyclones और slide valves में erosion-resistant refractories का उपयोग काफी सफल रहा है।

Erosion-corrosion को नियंत्रित करने का सबसे प्रभावी तरीका अधिक corrosion-resistant alloys का उपयोग करना या process environment की corrosivity को कम करना है। इसके लिए deaeration, condensate injection तथा corrosion inhibitors का उपयोग किया जा सकता है। केवल hardness बढ़ाने से erosion-corrosion resistance में हमेशा सुधार नहीं होता।

Heat exchangers में impingement plates तथा कुछ मामलों में tube ferrules लगाए जाते हैं ताकि high velocity impact को कम किया जा सके।

Naphthenic acid corrosion के विरुद्ध बेहतर resistance प्राप्त करने के लिए higher molybdenum containing alloys का उपयोग किया जाता है।

4.2.14.7 Inspection and Monitoring

Suspected या critical areas की Visual Inspection (VT) करके erosion damage का पता लगाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त Ultrasonic Thickness Measurement (UT) तथा Radiographic Testing (RT) का उपयोग करके metal loss की मात्रा का आकलन किया जाता है।

कुछ applications में specialized corrosion coupons तथा online corrosion monitoring electrical resistance probes का उपयोग corrosion rate monitor करने के लिए किया जाता है।

Refractory loss का पता लगाने के लिए Infrared (IR) scans भी उपयोग किए जाते हैं, विशेषकर जब equipment service में हो।

4.2.14.8 Related Mechanisms

विशिष्ट environments और services में erosion तथा erosion-corrosion के विभिन्न रूपों के लिए अलग terminology प्रयुक्त की जाती है। इनमें Cavitation, Liquid Impingement Erosion, Fretting तथा अन्य समान damage mechanisms शामिल हैं।

Quick Summary (Exam / Interview Point of View)

Erosion = Mechanical wear due to impact or high velocity flow.

Erosion-Corrosion = Combined effect of erosion + corrosion causing accelerated metal loss.

Most Susceptible Areas: Elbows, reducers, tees, valves, pumps, cyclones, slurry lines, FCC systems, hydroprocessing effluent piping.

Main Causes: High velocity, solid particles, droplets, slurry flow, corrosive environment.

Typical Damage: Localized thinning, grooves, pits, gullies, directional wear patterns.

Inspection: VT, UT, RT, corrosion probes, IR scans.

Mitigation: Reduce velocity, improve design, use harder or corrosion-resistant alloys, inhibitors, impingement plates, erosion-resistant refractories.