バッチ炉内でわずか数ヶ月使用しただけで、炭化ケイ素管のコールドエンド部分にひびが入る理由

上海周辺で12年間、高温機器に携わってきた経験から、炭化ケイ素管で最も頻繁に見られる故障は、徐々に薄くなる現象や化学的腐食ではありません。それは、通常のバッチ運転をわずか数ヶ月行っただけで、冷端付近や取り付けフランジから発生する、きれいな亀裂です。 オペレーターは通常、チューブに欠陥があったか、あるいは単に炉温が高すぎたのだと推測しがちです。しかし、私が点検する設備において、チューブ自体が根本的な原因であることはめったにありません。問題は、急峻な温度勾配と、チューブの固定方法の組み合わせにあるのです。.

熱電対の保護管や短い放射発熱体として使用される炭化ケイ素管は、高温域にも十分耐えることができます。この材料は、均一に加熱されれば、優れた強度と熱伝導率を発揮します。 問題は、炉が冷却され、再加熱されるたびに発生します。炉内に浸漬されている部分や加熱されている部分はより長く高温のままですが、より低温の周囲空気中に露出している部分は急速に温度が低下します。これにより、炭化ケイ素管の短い長さに沿って急激な温度差が生じます。 炭化ケイ素は熱膨張率が低いものの、依然として脆い性質を持っています。高温部と低温部が異なる速度で長さを変えようとする際、管の低温端が堅固に固定または密閉されていると、境界領域に引張応力が蓄積します。十分なサイクルを繰り返すと、その応力が局所的な強度を超え、多くの場合、外表面から亀裂が発生します。.

この傾向は、毎日あるいは週に数回稼働する間欠式のセラミック窯や小型の金属熱処理炉において、最もはっきりと見られます。 昇温速度が緩やかで、終端部の断熱性が優れた連続式炉では、同一グレードのチューブを使用しても、このような初期のひび割れが生じることはほとんどありません。その違いは炭化ケイ素そのものにあるのではなく、チューブが固定された状態で、大きな軸方向の温度勾配に何度さらされるかという点にあります。.

実際に寿命を延ばす実用的な対策は、材料グレードの変更というよりは、機械的および手順上のものです。まず、チューブが熱領域から出るまさにその箇所で、強固に締め付けることを避けてください。短い柔軟なパッキンやバネ式グランドを使用するか、あるいは単に数ミリメートルの軸方向の動きを許容することで、チューブに高い引張応力が生じることなく、伸縮が可能になります。 次に、コールドエンドの移行部に短い断熱カラーや放射シールドを追加します。チューブの最後の100～150 mmにおける温度低下を抑制することで、温度勾配を十分に低減でき、同じ取り付け構成でもはるかに多くのサイクルに耐えられるようになります。 第三に、炉自体の昇温・降温速度を制御することです。400～800 °Cの範囲での昇温速度をわずかに遅くするだけでも、各サイクルでチューブにかかるピーク応力を低減できます。.

壁の厚さも、多くの購入仕様書で認識されている以上に重要です。壁が厚いほど機械的強度が向上し、表面亀裂の伝播速度が遅くなりますが、熱容量も増加するため、低温側の断熱が不十分な場合は温度勾配が悪化する可能性があります。 ほとんどの熱電対保護用途において、取り付けに多少の遊びがある場合、適度な肉厚――取り扱いによる損傷に耐えられる十分な厚さでありながら、過度な熱を蓄積するほど重くないもの――が最適なバランスをもたらすと私は考えています。単に最高密度や最も厚い肉厚のものを指定し、そのシクチューブをきつく締め付けるだけのプラントでは、依然として短期間でチューブの交換を余儀なくされています。.

このように破損して返品された炭化ケイ素管は、ほぼ例外なく、取り付け箇所またはそのすぐ内側から亀裂が発生しており、その他の箇所に広範囲にわたる酸化や侵食の痕跡はほとんど見られません。 同じグレードの製品を、わずかな軸方向の遊びと端部の温度勾配を低減して設置した場合、同じ稼働サイクル下でも、亀裂が発生するまでの期間は通常、数ヶ月から1年以上へと延びます。 この材料には、それだけの長期間の使用に耐える能力があります。現場での制限要因は、通常、加熱および冷却のたびに不必要な熱応力を材料に強いる設置の詳細にあります。.