Tuburile care se deformează încet
Un schimbător de căldură PTFE care servește un proces de acid sulfuric concentrat la 175 de grade funcționează fără probleme evidente timp de doi ani. Pe parcursul celui de-al treilea an, operatorii observă că consumul de abur crește treptat pentru a menține temperatura. O inspecție în timpul opririi anuale dezvăluie cauza: tuburile s-au alungit și s-au subțiat. Diametrul lor exterior a scăzut ușor. Pachetul de tuburi pare întins.
Nu a avut loc nicio defecțiune bruscă. Nu s-a dezvoltat nicio scurgere. Tuburile pur și simplu s-au deformat lent de-a lungul a mii de ore sub influența combinată a temperaturii, a presiunii interne a aburului și a greutății proprii. Acesta este fluaj: deformare permanentă-dependentă de timp sub presiune constantă sub limita de curgere pe termen scurt-a materialului.
La 175 de grade, PTFE este stabil din punct de vedere chimic și se încadrează bine în temperatura sa nominală de serviciu continuă de 260 de grade. Dar stabilitatea chimică și stabilitatea mecanică sunt proprietăți diferite. Evaluarea materialului nu garantează lipsa deformarii prin fluaj pe perioade lungi la capătul superior al intervalului de temperatură.
Mecanismul de fluaj în PTFE
Fluajul apare în toți polimerii la temperaturi ridicate. Lanțurile moleculare, încurcate în mod normal și rezistând la deformare, câștigă suficientă energie termică pentru a aluneca unul pe lângă celălalt sub presiunea aplicată. Rata de alunecare depinde de temperatură, magnitudinea tensiunii și timp.
Într-un tub de schimbător de căldură din PTFE, stresul principal este tensiunea inelului de la presiunea internă a aburului. Pentru tubulaturi de 10 mm OD cu perete de 1 mm la o presiune internă de 4 barg, tensiunea inelului este de aproximativ 2 MPa. La temperatura ambiantă, rata de fluaj a PTFE la această solicitare este neglijabilă. La 175 de grade, rata de fluaj devine măsurabilă.
Tubul suferă, de asemenea, stres axial din cauza expansiunii termice constrânse și efort de încovoiere din cauza greutății proprii dintre suporturi. Aceste tensiuni sunt mai mici decât tensiunea cercului, dar contribuie la deformarea totală a fluajului.
Fluajul se manifestă prin trei modificări observabile: alungirea tubului, subțierea peretelui și reducerea diametrului. Alungirea are loc deoarece efortul cercului produce deformare axială prin efectul Poisson. Subțierea peretelui rezultă din deformarea constantă-volumului: pe măsură ce tubul se alungește și se îngustează, grosimea peretelui scade pentru a conserva volumul materialului.
Tabelul 1: Deformarea de fluaj estimată față de temperatura de funcționare pentru tubul PTFE (10 mm OD, 1 mm perete, 4 barg abur)
| Temperatura de funcționare (grade) | Rata relativă de fluaj | Grosimea peretelui după 1 an (mm) | Grosimea peretelui după 3 ani (mm) | Presiune de spargere după 3 ani (bar) | Durată de viață recomandată |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Neglijabil | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 de ani |
| 120 | Foarte scăzut | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 ani |
| 140 | Scăzut | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 ani |
| 160 | Moderat | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 ani |
| 180 | Ridicat | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 ani |
| 200 | Foarte sus | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Valori estimate bazate pe datele publicate de fluaj PTFE și extrapolarea Arrhenius. Ratele reale depind de gradul specific al rășinii, cristalinitatea și istoricul procesării. Durata de viață definită ca timp pentru a atinge 50% din presiunea inițială de spargere.
Modificări de proiectare pentru serviciul extins
Reducerea tensiunii cercului prelungește durata de viață la o anumită temperatură. Cea mai simplă metodă este reducerea presiunii aburului. Funcționarea la 2 barg în loc de 4 barg înjumătățește solicitarea cercului, dublând aproximativ timpul pentru a ajunge la o anumită tensiune de fluaj.
Creșterea grosimii peretelui tubului oferă o marjă directă împotriva subțierii. Un tub de perete de 1,5 mm care funcționează la 175 de grade atinge aceeași grosime minimă a peretelui ca un tub de 1,0 mm în aproximativ de două ori mai mult timp. Penalizarea este transferul de căldură redus, necesitând proporțional o suprafață mai mare.
Utilizarea unui grad de-cristalinitate PTFE mai mare îmbunătățește rezistența la fluaj. Formulările de PTFE modificate cu greutate moleculară și cristalinitate controlate prezintă rate de fluaj cu 30-50% mai mici decât clasele standard la aceeași temperatură și stres. Creșterea costului materialului este modestă în raport cu prelungirea duratei de viață.
Criterii de inspecție și pensionare
Tuburile care funcționează la temperaturi de peste 150 de grade trebuie inspectate anual pentru deformarea fluajului. Măsurătorile diametrului exterior și grosimii peretelui în locații reprezentative urmăresc progresia răririi. Calibrele de grosime cu ultrasunete oferă date non-distructive despre grosimea peretelui.
Criteriile de pensionare ar trebui stabilite la instalare. Un criteriu tipic este reducerea grosimii peretelui la 60% din valoarea originală. În acest moment, factorul de siguranță al presiunii de explozie este redus de la aproximativ 8:1 la 3:1, care rămâne adecvat pentru presiunea de funcționare, dar lasă o marjă redusă pentru excursiile de presiune.
Tuburile care prezintă o reducere vizibilă a diametrului sau o alungire care depășește 10% trebuie înlocuite indiferent de grosimea absolută, deoarece deformarea indică faptul că materialul și-a epuizat o mare parte din ductilitatea de fluaj.
Rezumat
Funcționarea continuă a schimbătorului de căldură PTFE aproape de 180 de grade produce o deformare prin fluaj care subțiază treptat pereții tubului și reduce marjele de presiune de spargere. Rata de deformare depinde exponențial de temperatură și liniar de solicitarea cercului.
Durata de viață la 175 de grade cu grade standard de PTFE și abur de 4 bargi este de aproximativ 2-4 ani, pe baza subțierii prin fluaj. Presiunea mai scăzută a aburului, pereții mai groși și gradele de PTFE cu cristalinitate mai mare extind acest lucru în mod semnificativ. Măsurarea anuală a grosimii peretelui urmărește progresia și sprijină deciziile de pensionare.
Analiza de inginerie pentru estimarea duratei de viață a schimbătorului de căldură PTFE în condiții specifice de funcționare este disponibilă la trimiterea istoricului temperaturii de funcționare, a presiunii aburului, a dimensiunilor tubului, a gradului materialului și a oricăror măsurători de deformare existente.
