Pukotina koja se pojavljuje nakon stotina ciklusa
Potopna zavojnica od nehrđajućeg čelika u kupki za kiseljenje radi na temperaturama između 25 i 80 stupnjeva u ciklusu proizvodnih serija. Nakon otprilike 400 toplinskih ciklusa, na zavarenom šavu pojavljuje se curenje. Zavojnica je stara manje od dvije godine. Debljina osnovnog metala ostaje primjerena. Kvar je lokaliziran upravo na zavarenom spoju.
Ovaj uzorak kvara uobičajen je u radionicama za plastificiranje, linijama za dekapiranje i operacijama kemijskog mljevenja gdje izmjenjivači topline doživljavaju ponovljene toplinske cikluse, a ne rad u stabilnom -stanju. Mehanizam je toplinski zamor, koncentriran na metalurškim diskontinuitetima nastalim zavarivanjem.
Zašto zavareni šavovi koncentriraju toplinski stres
Zavareni šav se razlikuje od osnovnog metala na tri ključna načina. Dodatni metal za zavarivanje ima malo drugačiji kemijski sastav, stvarajući galvanski par u korozivnim okruženjima. Zona -zahvaćena toplinom uz zavar ima promijenjenu strukturu zrna sa smanjenom duktilnošću. Geometrija zavara stvara koncentraciju naprezanja na vrhu zavara gdje se armatura susreće s osnovnim metalom.
Kada se metalna uronjena zavojnica zagrije s 25 stupnjeva na 80 stupnjeva, toplinsko širenje stvara tlačni stres. Nakon hlađenja, naprezanje se mijenja u vlačno. Zavareni spoj, sa svojim mikrostrukturnim razlikama i geometrijskom koncentracijom naprezanja, akumulira plastičnu deformaciju sa svakim ciklusom.
Nakon dovoljnog broja ciklusa, mikro-pukotine počinju na vrhu zavara. Korozivno procesno okruženje ubrzava širenje pukotina. Pukotina na kraju prodire kroz debljinu stijenke, a procesna tekućina istječe u parni kondenzat ili obrnuto.
Tablica 1: Otpornost na toplinski zamor metoda konstrukcije izmjenjivača topline
| Metoda konstrukcije | Prisutni zavareni šavovi | Faktor koncentracije naprezanja | Tipični ciklusi do kvara (ΔT=55 stupanj) |
|---|---|---|---|
| Zavarena zavojnica od SS 316L | Da (više) | 2,5-3,5 na vrhu zavara | 300-800 |
| Zavareni svitak od titana | Da (više) | 2,0-3,0 na vrhu zavara | 500-1,200 |
| Lemljeni bakar{0}}nikal | Da (više) | 2,0-2,8 na zglobu | 200-600 |
| Sve-PTFE bešavne cijevi | Nijedan | 1.0 (uniforma) | >100 000 (bez zavara koji bi pokvario) |
Faktori koncentracije naprezanja iz analize konačnih elemenata tipične geometrije uronjene zavojnice. Podaci o vijeku trajanja ciklusa iz objavljenih studija zamora i izvješća o kvarovima na terenu.
Potpuno-prednost konstrukcije od PTFE-a
PTFE cijevi izmjenjivača topline proizvode se ekstruzijom paste, stvarajući kontinuirane bešavne duljine. Nema zavara, spojeva i metalurških diskontinuiteta duž cijevi. Materijal je homogen od kraja do kraja.
Toplinska ekspanzija kod PTFE-a je veća nego kod metala, što je svojstvo koje se obično smatra izazovom dizajna. Međutim, fleksibilnost materijala prilagođava se ovom širenju elastičnom deformacijom, a ne nakupljanjem naprezanja. Pravilno poduprta PTFE cijev se slobodno širi i skuplja s promjenama temperature. Ne razvijaju se lokalne koncentracije naprezanja jer nema geometrijskih ili metalurških diskontinuiteta.
Otpornost PTFE-a na zamor pod cikličkim opterećenjem daleko premašuje onu metala u rasponu deformacija tipičnom za toplinsko širenje. PTFE cijev testirana pod opetovanim ciklusima savijanja pri amplitudama naprezanja ekvivalentnim toplinskom širenju rutinski prelazi 100 000 ciklusa bez kvara. U normalnim operacijama galvaniziranja i dekapiranja, to znači desetljeća rada bez problema s toplinskim zamorom.
Dizajn podrške je važan
Sve-PTFE konstrukcije eliminiraju kvarove-povezane sa zavarivanjem, ali ispravan dizajn potpore osigurava ostvarenje punog vijeka trajanja od zamora. Oslonci moraju omogućiti slobodno aksijalno kretanje cijevi tijekom toplinskog širenja i skupljanja. Kruto stezanje koje ograničava širenje može stvoriti lokalizirana naprezanja savijanja koja se koncentriraju na točki stezanja.
PTFE izmjenjivači topline obično se oslanjaju na vodeće ploče s prorezima izrađene od čvrstog PTFE ili PVDF. Prorezi su dimenzionirani tako da omogućuju aksijalno pomicanje uz održavanje razmaka cijevi za prijenos topline. Ova metoda potpore uklanja-koncentraciju naprezanja stegnutog spoja do koje može doći kod metalnih potpornih okvira.
Terenski rezultati skupnog kiseljenja
Linija za dekapiranje čelika koja radi u serijama-s temperaturnim ciklusima između sobne i 75 stupnjeva zamijenila je zavarene grijaće spirale od titana koje su više puta otkazivale na zavarenim šavovima. Prosječni životni vijek zavojnice bio je 11 mjeseci, a svi kvarovi su bili praćeni pukotinama koje su nastale u zonama-zahvaćenih toplinom u blizini zavara.
Svi-PTFE izmjenjivači topline instalirani su s PTFE vodećim pločama dimenzioniranim za slobodno toplinsko širenje. Nakon četiri godine identičnog toplinskog ciklusa, PTFE zavojnice nisu pokazivale znakove pucanja, curenja i stabilan prijenos topline. Bešavna konstrukcija eliminirala je jedini način kvara koji je ograničio vijek trajanja prijašnjih zavojnica.
Sažetak
Zavareni metalni izmjenjivači topline koncentriraju naprezanje toplinskog zamora na zavarenim šavovima, gdje mikrostrukturne razlike i geometrijski diskontinuiteti izazivaju pukotine. Pod ponovljenim toplinskim ciklusima tipičnim za serijsku obradu i dekapiranje, te se pukotine šire do curenja unutar stotina ciklusa.
Konstrukcija svih-PTFE izmjenjivača topline eliminira ovaj način kvara. Bešavne ekstrudirane cijevi ne sadrže zavare, metalurške diskontinuitete i mjesta koncentracije naprezanja. Fleksibilnost materijala prilagođava se toplinskom širenju bez nakupljanja oštećenja uslijed zamora. Pravilan dizajn potpore osigurava slobodno kretanje, sprječavajući koncentraciju naprezanja na točkama potpore.
Za serijske operacije kod kojih se javljaju kvarovi-povezani s izmjenjivačem topline, inženjerska analiza za sve-određivanje veličine bešavnih zavojnica od PTFE-a dostupna je nakon podnošenja raspona radne temperature, učestalosti ciklusa, kemije kupke i dimenzija spremnika.
