Η ρωγμή που εμφανίζεται μετά από εκατοντάδες κύκλους
Ένα πηνίο εμβάπτισης από ανοξείδωτο χάλυβα σε ένα λουτρό αποστράγγισης λειτουργεί μεταξύ 25 μοιρών και 80 μοιρών κατά τον κύκλο των παρτίδων παραγωγής. Μετά από περίπου 400 θερμικούς κύκλους, εμφανίζεται μια διαρροή από οπή καρφίτσας σε μια ραφή συγκόλλησης. Το πηνίο είναι λιγότερο από δύο ετών. Το πάχος του βασικού μετάλλου παραμένει επαρκές. Η αστοχία εντοπίζεται ακριβώς στον συγκολλημένο σύνδεσμο.
Αυτό το μοτίβο αστοχίας είναι σύνηθες σε καταστήματα επιμετάλλωσης, γραμμές αποξήρωσης και χημικές εργασίες φρεζαρίσματος, όπου οι εναλλάκτες θερμότητας αντιμετωπίζουν επαναλαμβανόμενο θερμικό κύκλωμα αντί για σταθερή-λειτουργία. Ο μηχανισμός είναι η θερμική κόπωση, συγκεντρωμένη στις μεταλλουργικές ασυνέχειες που δημιουργούνται από τη συγκόλληση.
Γιατί οι ραφές συγκόλλησης συμπυκνώνουν τη θερμική καταπόνηση
Μια ραφή συγκόλλησης διαφέρει από το βασικό μέταλλο με τρεις κρίσιμους τρόπους. Το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης έχει ελαφρώς διαφορετική χημική σύνθεση, δημιουργώντας ένα γαλβανικό ζεύγος σε διαβρωτικά περιβάλλοντα. Η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα- δίπλα στη συγκόλληση έχει αλλοιώσει τη δομή των κόκκων με μειωμένη ολκιμότητα. Η γεωμετρία της συγκόλλησης δημιουργεί μια συγκέντρωση τάσης στο δάκτυλο της συγκόλλησης όπου ο οπλισμός συναντά το βασικό μέταλλο.
Όταν ένα μεταλλικό πηνίο εμβάπτισης θερμαίνεται από 25 μοίρες σε 80 μοίρες, η θερμική διαστολή δημιουργεί θλιπτική τάση. Κατά την ψύξη, η τάση μετατρέπεται σε εφελκυσμό. Ο συγκολλημένος σύνδεσμος, με τις μικροδομικές του διαφορές και τη γεωμετρική συγκέντρωση τάσεων, συσσωρεύει πλαστική καταπόνηση σε κάθε κύκλο.
Μετά από αρκετούς κύκλους, αρχίζουν μικρο-ρωγμές στο δάκτυλο της συγκόλλησης. Το διαβρωτικό περιβάλλον διεργασίας επιταχύνει τη διάδοση των ρωγμών. Η ρωγμή τελικά διεισδύει στο πάχος του τοιχώματος και το υγρό διεργασίας διαρρέει στο συμπύκνωμα ατμού ή το αντίστροφο.
Πίνακας 1: Αντίσταση θερμικής κόπωσης των μεθόδων κατασκευής εναλλάκτη θερμότητας
| Μέθοδος Κατασκευής | Οι ραφές συγκόλλησης παρουσιάζουν | Συντελεστής συγκέντρωσης στρες | Τυπικοί κύκλοι αποτυχίας (ΔT=55 βαθμός ) |
|---|---|---|---|
| Συγκολλημένο πηνίο SS 316L | Ναι (πολλαπλά) | 2,5-3,5 στο δάκτυλο συγκόλλησης | 300-800 |
| Συγκολλημένο πηνίο τιτανίου | Ναι (πολλαπλά) | 2,0-3,0 στο δάκτυλο συγκόλλησης | 500-1,200 |
| Συγκολλημένος χαλκός-νικέλιο | Ναι (πολλαπλά) | 2,0-2,8 στην άρθρωση | 200-600 |
| Όλο-PTFE σωλήνας χωρίς ραφή | Κανένας | 1.0 (ομοιόμορφη) | >100.000 (χωρίς συγκολλήσεις για αστοχία) |
Συντελεστές συγκέντρωσης τάσεων από ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων τυπικών γεωμετριών πηνίου εμβάπτισης. Δεδομένα κύκλου ζωής από δημοσιευμένες μελέτες κόπωσης και αναφορές αποτυχίας πεδίου.
Το πλεονέκτημα κατασκευής All-PTFE
Οι σωλήνες εναλλάκτη θερμότητας PTFE παράγονται με εξώθηση πάστας, δημιουργώντας συνεχή μήκη χωρίς ραφή. Δεν υπάρχουν συγκολλήσεις, αρμοί και μεταλλουργικές ασυνέχειες κατά μήκος του σωλήνα. Το υλικό είναι ομοιογενές από άκρη σε άκρη.
Η θερμική διαστολή στο PTFE είναι υψηλότερη από ότι στα μέταλλα, μια ιδιότητα που συνήθως θεωρείται πρόκληση σχεδιασμού. Ωστόσο, η ευκαμψία του υλικού εξυπηρετεί αυτή τη διαστολή μέσω ελαστικής παραμόρφωσης και όχι συσσώρευσης τάσεων. Ένας σωστά υποστηριζόμενος σωλήνας PTFE διαστέλλεται και συστέλλεται ελεύθερα με τις αλλαγές θερμοκρασίας. Δεν αναπτύσσονται τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων επειδή δεν υπάρχουν γεωμετρικές ή μεταλλουργικές ασυνέχειες.
Η αντίσταση κόπωσης του PTFE υπό κυκλική φόρτιση υπερβαίνει κατά πολύ εκείνη των μετάλλων στο εύρος παραμόρφωσης που είναι τυπικό της θερμικής διαστολής. Οι σωλήνες PTFE που ελέγχονται υπό επαναλαμβανόμενη καμπτική κύκλωση σε πλάτη τάσης ισοδύναμα με θερμική διαστολή υπερβαίνουν συνήθως τους 100.000 κύκλους χωρίς αστοχία. Σε κανονικές εργασίες επιμετάλλωσης και τουρσί, αυτό μεταφράζεται σε δεκαετίες εξυπηρέτησης χωρίς ανησυχίες θερμικής κόπωσης.
Θέματα Σχεδιασμού Υποστήριξης
Όλη η κατασκευή-PTFE εξαλείφει τις αστοχίες που σχετίζονται με συγκόλληση-, αλλά ο σωστός σχεδιασμός υποστήριξης διασφαλίζει την πλήρη διάρκεια ζωής της κόπωσης. Τα στηρίγματα πρέπει να επιτρέπουν την ελεύθερη αξονική κίνηση των σωλήνων κατά τη θερμική διαστολή και συστολή. Η άκαμπτη σύσφιξη που περιορίζει τη διαστολή μπορεί να δημιουργήσει τοπικές τάσεις κάμψης που συγκεντρώνονται στο σημείο σύσφιξης.
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE υποστηρίζονται συνήθως από πλάκες οδηγού με σχισμή κατασκευασμένες από συμπαγές PTFE ή PVDF. Οι σχισμές έχουν μέγεθος με διάκενο ώστε να επιτρέπουν την αξονική κίνηση διατηρώντας παράλληλα την απόσταση των σωλήνων για μεταφορά θερμότητας. Αυτή η μέθοδος στήριξης εξαλείφει τη συγκέντρωση συσφιγμένης-αρθρικής τάσης που μπορεί να προκύψει με μεταλλικά πλαίσια στήριξης.
Αποτελέσματα πεδίου από μια λειτουργία παρτίδας τουρσί
Μια ατσάλινη γραμμή αποστράγγισης που λειτουργεί κατά παρτίδα-με κύκλους θερμοκρασίας μεταξύ περιβάλλοντος και 75 μοιρών αντικατέστησε συγκολλημένα πηνία θέρμανσης τιτανίου που είχαν αποτύχει επανειλημμένα στις ραφές συγκόλλησης. Η μέση διάρκεια ζωής του πηνίου ήταν 11 μήνες, με όλες τις αστοχίες να εντοπίζονται σε ρωγμές που εκκινούν σε ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα- δίπλα στις συγκολλήσεις.
Όλοι οι-εναλλάκτες θερμότητας PTFE εγκαταστάθηκαν με πλάκες οδηγού PTFE με μέγεθος για ελεύθερη θερμική διαστολή. Μετά από τέσσερα χρόνια πανομοιότυπης υπηρεσίας θερμικής ανακύκλωσης, τα πηνία PTFE δεν έδειξαν σημάδια ρωγμών, καμία διαρροή και σταθερή απόδοση μεταφοράς θερμότητας. Η απρόσκοπτη κατασκευή εξάλειψε τη μοναδική λειτουργία αστοχίας που είχε περιορίσει τη διάρκεια ζωής των προηγούμενων πηνίων.
Περίληψη
Οι συγκολλημένοι μεταλλικοί εναλλάκτες θερμότητας συγκεντρώνουν τη θερμική καταπόνηση στις ραφές συγκόλλησης, όπου οι μικροδομικές διαφορές και οι γεωμετρικές ασυνέχειες προκαλούν ρωγμές. Κάτω από επαναλαμβανόμενη θερμική ανακύκλωση, τυπική των εργασιών επιμετάλλωσης και αποξίδωσης κατά παρτίδες, αυτές οι ρωγμές διαδίδονται μέχρι να διαρρεύσουν μέσα σε εκατοντάδες κύκλους.
Όλη η κατασκευή του εναλλάκτη θερμότητας-PTFE εξαλείφει αυτήν τη λειτουργία αστοχίας. Η άνευ ραφής εξωθημένη σωλήνωση δεν περιέχει συγκολλήσεις, μεταλλουργικές ασυνέχειες και σημεία συγκέντρωσης τάσεων. Η ευελιξία του υλικού επιτρέπει τη θερμική διαστολή χωρίς συσσώρευση ζημιών από κόπωση. Ο σωστός σχεδιασμός στήριξης εξασφαλίζει ελεύθερη κίνηση, αποτρέποντας τη συγκέντρωση πίεσης στα σημεία στήριξης.
Για εργασίες κατά παρτίδες που παρουσιάζουν αστοχίες του εναλλάκτη θερμότητας που σχετίζονται με συγκόλληση{{0}, διατίθεται μηχανική ανάλυση για όλα-Το μέγεθος πηνίου χωρίς ραφή PTFE είναι διαθέσιμο με την υποβολή του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας, της συχνότητας κύκλου, της χημείας του λουτρού και των διαστάσεων της δεξαμενής.
