Hitaasti muotoutuvat putket
PTFE-lämmönvaihdin, joka palvelee väkevää rikkihappoprosessia 175 asteessa, toimii ilman ilmeisiä ongelmia kahden vuoden ajan. Kolmannen vuoden aikana käyttäjät huomaavat höyryn kulutuksen asteittain kasvavan lämpötilan ylläpitämiseksi. Vuosiseisokissa tehdyssä tarkastuksessa syy selviää: putket ovat venyneet ja ohentuneet. Niiden ulkohalkaisija on hieman pienentynyt. Putkinippu näyttää venyneeltä.
Mitään äkillistä vikaa ei tapahtunut. Ei vuotoa kehittynyt. Putket vain muuttivat muotoaan hitaasti tuhansien tuntien aikana lämpötilan, sisäisen höyrynpaineen ja omapainon vaikutuksesta. Tämä on virumista: ajasta-riippuva pysyvä muodonmuutos jatkuvassa jännityksessä materiaalin lyhytaikaisen-myötörajan alapuolella.
175 asteen lämpötilassa PTFE on kemiallisesti stabiili ja sen mitoitettu jatkuva käyttölämpötila on 260 astetta. Mutta kemiallinen stabiilisuus ja mekaaninen stabiilisuus ovat eri ominaisuuksia. Materiaaliluokitus ei takaa virumismuodonmuutosta pitkiä aikoja lämpötila-alueen yläpäässä.
PTFE:n virumismekanismi
Virumista esiintyy kaikissa polymeereissä korotetuissa lämpötiloissa. Molekyyliketjut, jotka ovat normaalisti kietoutuneet ja vastustavat muodonmuutoksia, saavat riittävästi lämpöenergiaa liukuakseen toistensa ohi kohdistetussa jännityksessä. Liukumisnopeus riippuu lämpötilasta, jännityksen suuruudesta ja ajasta.
PTFE-lämmönvaihdinputkessa pääjännitys on sisäisen höyrypaineen aiheuttama vannejännitys. 10 mm:n ulkohalkaisijan letkussa, jossa on 1 mm:n seinämä 4 bargin sisäisellä paineella, vanteen jännitys on noin 2 MPa. Ympäristön lämpötilassa PTFE:n virumisnopeus tällä jännityksellä on mitätön. 175 asteessa ryömintänopeus on mitattavissa.
Putkeen kohdistuu myös aksiaalista jännitystä, joka johtuu rajoitetusta lämpölaajenemisesta ja taivutusjännitystä omasta{0}}painosta tukien välillä. Nämä jännitykset ovat pienempiä kuin vanteen jännitys, mutta vaikuttavat kokonaisvirumisen muodonmuutokseen.
Viruminen ilmenee kolmessa havaittavassa muutoksessa: putken venyminen, seinämän oheneminen ja halkaisijan pieneneminen. Venymä tapahtuu, koska vannejännitys aiheuttaa aksiaalista jännitystä Poisson-ilmiön kautta. Seinien oheneminen johtuu jatkuvasta -tilavuuden muodonmuutoksesta: kun putki pitenee ja kapenee, seinämän paksuus pienenee materiaalitilavuuden säästämiseksi.
Taulukko 1: PTFE-putken arvioitu virumismuodonmuutos vs. käyttölämpötila (10 mm ulkohalkaisija, 1 mm seinä, 4 barg höyryä)
| Käyttölämpötila ( aste ) | Suhteellinen ryömintänopeus | Seinän paksuus 1 vuoden jälkeen (mm) | Seinän paksuus 3 vuoden jälkeen (mm) | Räjähdyspaine 3 vuoden jälkeen (bar) | Suositeltu käyttöikä |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Mitätön | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 vuotta |
| 120 | Erittäin matala | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 vuotta |
| 140 | Matala | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 vuotta |
| 160 | Kohtalainen | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 vuotta |
| 180 | Korkea | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 vuotta |
| 200 | Erittäin korkea | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Arvioidut arvot perustuvat julkaistuihin PTFE-virumistietoihin ja Arrhenius-ekstrapolaatioon. Todelliset nopeudet riippuvat tietystä hartsilaadusta, kiteisyydestä ja käsittelyhistoriasta. Käyttöikä määritellään ajaksi, jonka kuluessa saavutetaan 50 % alkuperäisestä murtumispaineesta.
Suunnittelumuutokset laajennettua palvelua varten
Vanteen jännityksen vähentäminen pidentää käyttöikää tietyssä lämpötilassa. Yksinkertaisin tapa on vähentää höyryn painetta. 2 bargin käyttö 4 bargin sijasta puolittaa kehäjännityksen, mikä noin kaksinkertaistaa ajan tietyn virumisjännityksen saavuttamiseen.
Putken seinämän paksuuden lisääminen tarjoaa suoran suojan ohenemista vastaan. 1,5 mm:n seinäputki, joka toimii 175 asteessa, saavuttaa saman vähimmäisseinämäpaksuuden kuin 1,0 mm:n putki noin kaksinkertaisessa ajassa. Rangaistus on vähentynyt lämmönsiirto, joka vaatii suhteellisesti enemmän pinta-alaa.
Korkeamman-kiteisyyden PTFE-laadun käyttö parantaa virumisvastusta. Modifioiduilla PTFE-formulaatioilla, joilla on kontrolloitu molekyylipaino ja kiteisyys, on 30-50 % alhaisempi virumisnopeus kuin standardilaaduilla samassa lämpötilassa ja jännityksessä. Materiaalikustannuslisäys on vaatimaton suhteessa käyttöiän pidentymiseen.
Tarkastus- ja eläkkeelle jäämiskriteerit
Yli 150 asteen lämpötiloissa toimivat putket tulee tarkastaa vuosittain virumismuodonmuutosten varalta. Ulkohalkaisijan ja seinämän paksuuden mittaukset edustavista paikoista seuraavat harventumisen etenemistä. Ultraäänipaksuusmittarit tarjoavat -tuhoamatonta seinämän paksuustietoa.
Eläkkeelle jäämiskriteerit tulee määrittää asennuksen yhteydessä. Tyypillinen kriteeri on seinämän paksuuden pienentäminen 60 %:iin alkuperäisestä arvosta. Tässä vaiheessa murtumispaineen varmuuskerroin pienennetään noin 8:1:stä 3:1:een, mikä pysyy riittävänä käyttöpaineelle, mutta jättää pienennetyn marginaalin painepoikkeamille.
Putket, joissa näkyy näkyvä halkaisijan pieneneminen tai venymä yli 10 %, on vaihdettava absoluuttisesta paksuudesta riippumatta, koska muodonmuutos osoittaa, että materiaali on käyttänyt suuren osan virumismutavuudestaan.
Yhteenveto
Jatkuva PTFE-lämmönvaihtimen toiminta lähellä 180 astetta aiheuttaa virumismuodonmuutoksia, jotka ohenevat vähitellen putken seiniä ja pienentävät murtumispainemarginaaleja. Muodonmuutosnopeus riippuu eksponentiaalisesti lämpötilasta ja lineaarisesti vanteen jännityksestä.
Käyttöikä 175 asteessa tavallisilla PTFE-laaduilla ja 4 bargin höyryllä on noin 2-4 vuotta virumisohennuksesta laskettuna. Matalampi höyrynpaine, paksummat seinät ja korkeampi kiteisyys PTFE-laadut lisäävät tätä huomattavasti. Vuosittainen seinämän paksuuden mittaus seuraa etenemistä ja tukee eläkkeelle siirtymistä koskevia päätöksiä.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimen käyttöiän ennustamiseksi tietyissä käyttöolosuhteissa on saatavilla, kun toimitetaan käyttölämpötilahistoria, höyrynpaine, putken mitat, materiaalilaatu ja kaikki olemassa olevat muodonmuutosmittaukset.
