Sporo deformirajuće cijevi
PTFE izmjenjivač topline koji opslužuje proces koncentrovane sumporne kiseline na 175 stepeni radi bez očiglednih problema dvije godine. Tokom treće godine, operateri primjećuju da se potrošnja pare postepeno povećava kako bi se održala temperatura. Inspekcija tokom godišnjeg zatvaranja otkriva uzrok: cijevi su se izdužile i istanjile. Njihov vanjski promjer se neznatno smanjio. Svežanj cijevi izgleda rastegnuto.
Nije došlo do iznenadnog kvara. Nije došlo do curenja. Cijevi su se jednostavno polako deformisale tokom hiljada sati pod kombinovanim uticajem temperature, unutrašnjeg pritiska pare i sopstvene-težine. Ovo je puzanje: vremenski{4}}zavisna trajna deformacija pod stalnim naprezanjem ispod kratkoročne-granice tečenja materijala.
Na 175 stepeni, PTFE je hemijski stabilan i u granicama svoje nominalne kontinuirane radne temperature od 260 stepeni. Ali hemijska stabilnost i mehanička stabilnost su različite osobine. Kategorija materijala ne garantuje slobodu od deformacija puzanja tokom dužih perioda na gornjem kraju temperaturnog opsega.
Mehanizam puzanja u PTFE-u
Puzanje se javlja u svim polimerima na povišenim temperaturama. Molekularni lanci, normalno upleteni i otporni na deformaciju, dobijaju dovoljno toplotne energije da klize jedan pored drugog pod primenjenim naprezanjem. Brzina klizanja ovisi o temperaturi, veličini naprezanja i vremenu.
U cijevi izmjenjivača topline od PTFE, primarni napon je obručni napon od unutrašnjeg pritiska pare. Za cijevi promjera 10 mm sa zidom od 1 mm pri unutrašnjem pritisku od 4 bara, napon obruča je približno 2 MPa. Na temperaturi okoline, brzina puzanja PTFE-a pri ovom naprezanju je zanemarljiva. Na 175 stepeni, brzina puzanja postaje mjerljiva.
Cijev također doživljava aksijalno naprezanje zbog ograničenog toplinskog širenja i naprezanje savijanja zbog vlastite-težine između oslonaca. Ova naprezanja su manja od obručnog naprezanja, ali doprinose ukupnoj deformaciji puzanja.
Puzanje se manifestira u tri vidljive promjene: izduženje cijevi, stanjivanje stijenke i smanjenje promjera. Izduženje nastaje jer naprezanje obruča proizvodi aksijalno naprezanje kroz Poissonov efekat. Stanje zida je rezultat konstantne-deformacije zapremine: kako se cijev izdužuje i sužava, debljina zida se smanjuje kako bi se sačuvala zapremina materijala.
Tabela 1: Procijenjena deformacija puzanja u odnosu na radnu temperaturu za PTFE cijev (10 mm OD, 1 mm zid, 4 barg pare)
| Radna temperatura (stepen) | Relativna brzina puzanja | Debljina zida nakon 1 godine (mm) | Debljina zida nakon 3 godine (mm) | Pritisak pucanja nakon 3 godine (bar) | Preporučeni vijek trajanja |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Zanemarljivo | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 godina |
| 120 | Veoma nisko | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 godina |
| 140 | Nisko | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 godina |
| 160 | Umjereno | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 godina |
| 180 | Visoko | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 godine |
| 200 | Vrlo visoko | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Procijenjene vrijednosti zasnovane na objavljenim podacima o puzanju PTFE i Arrhenius ekstrapolaciji. Stvarne stope zavise od specifičnog kvaliteta smole, kristalnosti i istorije obrade. Vijek trajanja definiran kao vrijeme do dostizanja 50% prvobitnog tlaka pucanja.
Modifikacije dizajna za prošireni servis
Smanjenje naprezanja obruča produžava vijek trajanja na datoj temperaturi. Najjednostavniji način je smanjenje pritiska pare. Rad na 2 bara umjesto na 4 bara prepolovi naprezanje obruča, otprilike udvostručujući vrijeme za postizanje datog naprezanja puzanja.
Povećanje debljine stijenke cijevi pruža direktnu marginu protiv stanjivanja. Zidna cijev od 1,5 mm koja radi na 175 stepeni dostiže istu minimalnu debljinu zida kao cijev od 1,0 mm za otprilike dvostruko kraće vrijeme. Kazna je smanjen prijenos topline, što zahtijeva proporcionalno veću površinu.
Korištenje više-kristalnosti PTFE razreda poboljšava otpornost na puzanje. Modifikovane PTFE formulacije sa kontrolisanom molekulskom težinom i kristalinom pokazuju stope puzanja 30-50% niže od standardnih kvaliteta pri istoj temperaturi i naprezanju. Porast troškova materijala je skroman u odnosu na produženje vijeka trajanja.
Kriteriji inspekcije i penzionisanja
Cevi koje rade na temperaturama iznad 150 stepeni treba jednom godišnje pregledati na deformaciju puzanja. Mjerenja vanjskog prečnika i debljine stijenke na reprezentativnim lokacijama prate progresiju stanjivanja. Ultrazvučni mjerači debljine pružaju ne-destruktivne podatke o debljini zida.
Kriterijumi za penzionisanje treba da se utvrde prilikom instalacije. Tipičan kriterijum je smanjenje debljine zida na 60% prvobitne vrednosti. U ovom trenutku sigurnosni faktor tlaka pucanja je smanjen sa približno 8:1 na 3:1, što ostaje adekvatno za radni tlak, ali ostavlja smanjenu marginu za promjene tlaka.
Cevi koje pokazuju vidljivo smanjenje promjera ili izduženje koje prelazi 10% treba zamijeniti bez obzira na apsolutnu debljinu, jer deformacija ukazuje da je materijal iscrpio veći dio svoje duktilnosti puzanja.
Rezime
Neprekidan rad PTFE izmjenjivača topline blizu 180 stupnjeva proizvodi deformaciju puzanja koja postepeno razrjeđuje zidove cijevi i smanjuje granice pritiska pucanja. Brzina deformacije eksponencijalno ovisi o temperaturi i linearno o naponu obruča.
Vek trajanja na 175 stepeni sa standardnim PTFE razredima i parom od 4 bara je približno 2-4 godine na osnovu stanjivanja puzanja. Niži pritisak pare, deblji zidovi i PTFE klase veće kristalnosti ovo značajno proširuju. Godišnje mjerenje debljine zida prati napredak i podržava odluke o penzionisanju.
Inženjerska analiza za predviđanje vijeka trajanja PTFE izmjenjivača topline u specifičnim radnim uvjetima dostupna je nakon dostavljanja historije radne temperature, pritiska pare, dimenzija cijevi, kvaliteta materijala i svih postojećih mjerenja deformacije.
