A lassan deformálódó csövek
A tömény kénsav folyamatot 175 fokon kiszolgáló PTFE hőcserélő két évig nyilvánvaló probléma nélkül működik. A harmadik évben a kezelők észreveszik, hogy a gőzfogyasztás fokozatosan növekszik a hőmérséklet fenntartása érdekében. Az éves leállás során végzett ellenőrzés során kiderül az ok: a csövek megnyúltak és elvékonyodtak. Külső átmérőjük kissé csökkent. A csőköteg feszítettnek tűnik.
Nem történt hirtelen hiba. Szivárgás nem alakult ki. A csövek egyszerűen lassan deformálódtak több ezer óra alatt a hőmérséklet, a belső gőznyomás és az önsúly együttes hatására. Ez kúszás: idő-függő maradandó alakváltozás állandó feszültség alatt, az anyag rövid távú folyáshatára alatt-.
175 fokon a PTFE kémiailag stabil és jóval a 260 fokos névleges folyamatos üzemi hőmérsékleten belül van. De a kémiai stabilitás és a mechanikai stabilitás különböző tulajdonságok. Az anyagbesorolás nem garantálja a hosszú ideig tartó kúszás-deformáció mentességét a hőmérsékleti tartomány felső végén.
A kúszási mechanizmus a PTFE-ben
A kúszás minden polimerben fellép emelt hőmérsékleten. A molekuláris láncok, amelyek általában összefonódnak és ellenállnak a deformációnak, elegendő hőenergiát nyernek ahhoz, hogy az alkalmazott feszültség hatására egymás mellett elcsúszjanak. A csúszási sebesség függ a hőmérséklettől, a feszültség nagyságától és az időtől.
A PTFE hőcserélő csőben az elsődleges feszültség a belső gőznyomásból származó karikafeszültség. 10 mm-es külső átmérőjű, 1 mm-es falú cső esetén 4 barg belső nyomás mellett a karikafeszültség körülbelül 2 MPa. Környezeti hőmérsékleten a PTFE kúszási sebessége ennél a feszültségnél elhanyagolható. 175 fokon a kúszási sebesség mérhetővé válik.
A cső a korlátozott hőtágulásból adódó tengelyirányú feszültséget, valamint a támasztékok közötti önsúly{0}}hajlítási feszültséget is tapasztalja. Ezek a feszültségek kisebbek, mint a karikafeszültség, de hozzájárulnak a teljes kúszási deformációhoz.
A kúszás három megfigyelhető változásban nyilvánul meg: a cső megnyúlásában, a fal elvékonyodásában és az átmérő csökkenésében. A megnyúlás azért következik be, mert a karikafeszültség a Poisson-effektus révén axiális feszültséget hoz létre. A fal elvékonyodása állandó -térfogat-deformáció eredménye: ahogy a cső megnyúlik és szűkül, a falvastagság csökken az anyagtérfogat megőrzése érdekében.
1. táblázat: A PTFE cső becsült kúszási deformációja és üzemi hőmérséklete (10 mm külső átmérő, 1 mm fal, 4 barg gőz)
| Üzemi hőmérséklet ( fok ) | Relatív kúszási sebesség | Falvastagság 1 év után (mm) | Falvastagság 3 év után (mm) | Feltörési nyomás 3 év után (bar) | Ajánlott élettartam |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Elhanyagolható | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 év |
| 120 | Nagyon alacsony | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 év |
| 140 | Alacsony | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 év |
| 160 | Mérsékelt | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 év |
| 180 | Magas | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 év |
| 200 | Nagyon magas | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
A becsült értékek publikált PTFE kúszási adatokon és Arrhenius extrapoláción alapulnak. A tényleges sebesség az adott gyantaminőségtől, a kristályosságtól és a feldolgozási előzményektől függ. Az élettartam az eredeti felszakítási nyomás 50%-ának eléréséig eltelt idő.
Tervezési módosítások a kiterjesztett szolgáltatáshoz
A karikafeszültség csökkentése meghosszabbítja az élettartamot adott hőmérsékleten. A legegyszerűbb módszer a gőznyomás csökkentése. A 4 barg helyett 2 barggal történő működés felére csökkenti a karikafeszültséget, megközelítőleg megkétszerezi az adott kúszási feszültség elérésének idejét.
A csőfal vastagságának növelése közvetlen védelmet biztosít a vékonyodás ellen. Egy 1,5 mm-es falú, 175 fokban működő cső körülbelül kétszer annyi idő alatt éri el ugyanazt a minimális falvastagságot, mint egy 1,0 mm-es cső. A büntetés csökkentett hőátadás, arányosan nagyobb felületet igényel.
A magasabb{0}}kristályosságú PTFE használata javítja a kúszási ellenállást. A szabályozott molekulatömegű és kristályosságú módosított PTFE készítmények 30-50%-kal alacsonyabb kúszási sebességet mutatnak, mint a standard minőségek azonos hőmérsékleten és feszültség mellett. Az anyagköltség növekedése szerény az élettartam-hosszabbításhoz képest.
Ellenőrzési és nyugdíjazási kritériumok
A 150 fok feletti hőmérsékleten üzemelő csöveket évente ellenőrizni kell a kúszás deformációja szempontjából. A külső átmérő és a falvastagság reprezentatív helyeken végzett mérései nyomon követik a ritkítás előrehaladását. Az ultrahangos vastagságmérők roncsolásmentes falvastagság-adatokat nyújtanak-.
A nyugdíjba vonulási kritériumokat a telepítéskor kell meghatározni. Tipikus kritérium a falvastagság csökkentése az eredeti érték 60%-ára. Ezen a ponton a repedési nyomás biztonsági tényezője körülbelül 8:1-ről 3:1-re csökken, ami megfelelő marad az üzemi nyomáshoz, de csökkentett mozgásteret hagy a nyomáskiugrások számára.
A látható átmérőcsökkenést vagy 10%-ot meghaladó megnyúlást mutató csöveket az abszolút vastagságtól függetlenül ki kell cserélni, mivel az alakváltozás azt jelzi, hogy az anyag kúszási flexibilitásának nagy részét kimerítette.
Összegzés
A PTFE hőcserélő folyamatos, közel 180 fokos működése kúszási deformációt okoz, ami fokozatosan elvékonyítja a csőfalakat és csökkenti a repedési nyomáshatárokat. Az alakváltozás sebessége exponenciálisan függ a hőmérséklettől és lineárisan a karikafeszültségtől.
Az élettartam 175 fokos szögben szabványos PTFE minőségekkel és 4 barg gőzzel körülbelül 2-4 év a kúszóhígítás alapján. Az alacsonyabb gőznyomás, a vastagabb falak és a magasabb kristályosságú PTFE minőségek ezt jelentősen kiterjesztik. Az éves falvastagság mérés nyomon követi a progressziót és támogatja a nyugdíjba vonulási döntéseket.
Műszaki elemzés a PTFE hőcserélő élettartamának előrejelzéséhez meghatározott üzemi körülmények között az üzemi hőmérséklet előzményeinek, a gőznyomásnak, a csőméreteknek, az anyagminőségnek és a meglévő deformációs méréseknek a benyújtásával érhető el.
