PFA grijači instalirani na mobilnim cisternama-kontejnerima za transport, željezničkim vagonima, kamionima cisternama ili platformama na moru{1}}osjećaju kontinuirane vibracije tokom transporta. Za razliku od statičkih instalacija rezervoara u kojima grijač vidi samo termalni ciklus i izlaganje kemikalijama, mobilne aplikacije dodaju mehanički zamor zbog oscilatornog ubrzanja. Amplituda vibracije (pomak-do-vršnog pomaka) i frekvencija određuju ciklički napon na PFA-metalnom interfejsu, prirubnici za montažu i unutrašnjim priključcima grijaćih elemenata. Maksimalna dozvoljena amplituda vibracije za standardni PFA grijač sa krutom montažom je 0,5 mm od -do{10}} vrha na frekvencijama između 10-50 Hz. Iznad amplitude od 1,0 mm, ciklično naprezanje prelazi granicu zamora PFA-metalnih veza, uzrokujući raslojavanje unutar 100–500 sati od izlaganja vibracijama. Za primjenu mobilnih spremnika potrebni su nosači za izolaciju vibracija ili fleksibilni priključci grijača kako bi se amplituda prijenosa smanjila ispod 0,3 mm.
Mehanizmi kvara izazvani vibracijama
Tri načina kvara dominiraju vibrirajućim PFA grijačima. Prvi je uznemirujući zamor na PFA-metalnom interfejsu. Metalno jezgro i omotač od PFA imaju različite prirodne frekvencije zbog različitih modula i gustoće (gustina PFA 2,15 g/cm³, gustina Incoloy 8,1 g/cm³). Pod vibracijama, jezgro i omotač osciliraju u neznatno različitim fazama, stvarajući mikropokrete (10-100 µm) na sučelju. Ovo uznemiravanje troši ljepljivu vezu, stvarajući lokalizirane praznine. Vlaga i korozivne pare ulaze u praznine, ubrzavajući raslojavanje. Drugi način kvara je pucanje od zamora žice grijaćeg elementa na mjestima spajanja. Žica unutrašnjeg otpora (obično Ni-Cr legura) je krhka nakon namotavanja; vibracija uzrokuje ciklično savijanje na hladnom spoju iglica, što dovodi do kvara-otvorenog kola. Treći način kvara je pucanje PFA pod naponom na potpornim konzolama. Čvrste stezaljke koje su dobre za statičke rezervoare stvaraju naprezanja pod vibracijama, jer se PFA savija uz ivicu stezaljke.
Kritični parametar nije sama amplituda vibracije, već proizvod amplitude i frekvencije na kvadrat-vršnog ubrzanja. Za sinusoidnu vibraciju, vršno ubrzanje (u g)=(2πf)² × (A/2) / 9,81, gdje je f frekvencija (Hz), a A je vršna -do- amplituda (metrima). Na A=0.5 mm (0,0005 m) i f=20 Hz, vršno ubrzanje=(2π×20)² × 0,00025 / 9.81=(125,7)² × 0.0000255=15,800 × 0.0000255=0.40 g. Pri amplitudi 1,0 mm, ubrzanje=0.80 g. Standardni PFA grijači nisu dizajnirani za trajno ubrzanje iznad 0,5 g. Pokretni rezervoari na neravnim putevima mogu doživjeti maksimum od 2-5 g, što daleko prelazi ovu granicu.
Dozvoljene granice vibracija prema konfiguraciji grijača
| Konfiguracija grijača | Vrsta montaže | Maksimalna trajna amplituda (mm p-p, 10–50 Hz) | Maksimalno maksimalno ubrzanje (g) | Očekivani život na granici | Failure Mode |
|---|---|---|---|---|---|
| Kruta šipka, standardna prirubnica | Čvrsto pričvršćen za zid rezervoara | 0,3 mm | 0.25 g | >10.000 sati | Minimalno ako je ispod granice |
| Kruta šipka, standardna prirubnica | Čvrsti vijci | 0,5 mm | 0.40 g | 2.000–5.000 sati | Interface fretting |
| Kruta šipka, standardna prirubnica | Čvrsti vijci | 1,0 mm | 0.80 g | 200–500 sati | Zamor žice + raslojavanje |
| Kruta šipka, standardna prirubnica | Čvrsti vijci | 2,0 mm | 1.6 g | 20–100 sati | Brzi kvar, više načina rada |
| Kruta šipka sa gumenom zaptivkom na prirubnici | Polu{0}}krut | 0,8 mm | 0.65 g | 1.000–3.000 sati | Fretting je smanjen, zamor žice ostaje |
| Kruta šipka sa opružnim izolatorima (4×, 10 N/mm svaki) | Izolirano | 2,0 mm (kod rezervoara) → 0,3 mm (kod grejača) | 0,25 g na grijaču | 5.000–10.000 sati | Efikasni izolatori |
| Grijač sa oprugom (vidi članak #38) | Prirubnica sa izolatorima | 3,0 mm (rezervoar) → 0,2 mm kod grijača | <0.2 g at heater | 8.000–15.000 sati | Najbolje za visoke-vibracije |
| Grijač sa fleksibilnim pletenim priključkom | Zidna{0}}montaža, bez grijača-okačena | Bilo koji (grijač odvojen) | <0.1 g | >15.000 sati | Nema prenosa vibracija |
| Kratki grijač (D < 300 mm) | Čvrsto | 0,5 mm | 0.40 g | 3.000–6.000 sati | Manja dužina=niži moment savijanja |
Dizajn izolacije vibracija za mobilne tenkove
Za mobilne cisterne (kontejneri za transport, kamionske cisterne, vagone), tri pristupa dizajna štite PFA grijače od oštećenja vibracijama. Prvi i najefikasniji je odvajanje: montirajte grijač na fleksibilno pleteno metalno crijevo (dužine 30-50 cm) koje se spaja na otvor rezervoara. Grejač slobodno visi u tečnosti, podržan samo crevom. Vibracije sa zida rezervoara se ne prenose kroz crevo jer pleteni nerđajući čelik ima vrlo nisku krutost na savijanje. Ovaj dizajn zahtijeva poseban potporni držač kako bi se spriječilo da grijač dođe u kontakt sa zidom rezervoara tokom transporta, a električni priključak mora imati servisnu petlju. Iskustvo na terenu sa odvojenim grijačima u ISO kontejnerima za otpremu pokazuje srednji vijek trajanja preko 10 godina, u poređenju sa 1-3 godine za krute{10}}jedinice.
Drugi pristup koristi opružne ili gumene izolatore između prirubnice grijača i jastučića za montažu rezervoara. Četiri izolatora (jedan po zavrtnju) sa kombinovanom brzinom opruge od 20-40 N/mm smanjuju amplitudu prenošene vibracije za 60-80% na frekvencijama iznad 15 Hz. Za rezervoar koji vibrira amplitudom od 1,0 mm, amplituda grejača pada na 0,2–0,4 mm. Izolatori moraju biti napravljeni od hemijski-otpornog materijala (FKM ili PTFE-guma) kako bi izdržali okruženje rezervoara. Izolatori imaju ograničen vijek trajanja (2-4 godine) i zahtijevaju periodične preglede na pukotine ili kompresiju.
Treći pristup odabire grijač s oprugama (zavojni oblik) umjesto krute šipke. Niska prirodna frekvencija zavojnice (2–4 Hz) i inherentna usklađenost apsorbuju energiju vibracija. Grejač zavojnice čvrsto montiran na rezervoar koji vibrira amplitudom od 1,0 mm doživljava unutrašnje vibracije od samo 0,1–0,2 mm jer se zavojnica savija. Ovaj pristup ne zahtijeva dodatne izolatore. Međutim, zavojnički grijači zahtijevaju veći prostor za rezervoar i imaju veće troškove proizvodnje (30-50% premije).
Terensko testiranje i kvalifikacija
Za primjenu mobilnih spremnika, okruženje vibracija treba okarakterizirati prije odabira grijača. Instalirajte akcelerometar na rezervoar na predloženoj lokaciji za ugradnju grijača, a zatim koristite rezervoar u najgorim-uslovima transporta (prazan, djelimično napunjen, pun; gladak put, neravni put, željeznička spojnica). Snimite podatke o ubrzanju 1-2 sata. Izračunajte srednje kvadratno (RMS) ubrzanje. Za RMS ubrzanje ispod 0,2 g, kruti-ugrađeni standardni grijač je prihvatljiv. Za 0,2–0,5 g RMS koristite čvrsti grijač s gumenim izolatorima. Za 0,5–1,0 g RMS koristite odvojeni (opleteno crijevo) ili grijač sa oprugama. Za iznad 1,0 g RMS, nijedan PFA grijač neće preživjeti-dugotrajno; uzmite u obzir vanjsko grijanje (rezervoar sa omotačem) ili grijanje samo tokom perioda mirovanja.
Za postojeće mobilne grijače spremnika koji pokazuju prijevremeni kvar, provjerite ima li oštećenja izazvanih vibracijama{0}}. Fretting se pojavljuje kao bijeli prah (PFA debris) na sučelju prirubnice. Zamor žice uzrokuje povremeni rad grijača (grijač radi kada je hladan, ne radi kada je vruć, radi ponovo kada je hladan). PFA naponske pukotine na potpornim konzolama pojavljuju se kao obodne pukotine na rubu konzole. Retrospektivno rješavanje vibracija je skupo; dizajn za njega u početku dodaje minimalne troškove.
Zaključak: 0,5 mm amplituda je maksimalna za krutu montažu
Maksimalna dozvoljena amplituda vibracija za PFA grijač čvrsto montiran na pokretni rezervoar je 0,5 mm od vrha-do-na frekvencijama od 10-50 Hz, što odgovara maksimalnom ubrzanju od približno 0,4 g. Iznad ove granice, ciklično naprezanje uzrokuje fretting na PFA-metalnom interfejsu, zamor unutrašnje grijaće žice i pucanje pod naponom na potpornim konzolama, smanjujući vijek trajanja grijača sa godina na mjesece ili sedmice. Za pokretne cisterne (kontejneri, vagoni, kamioni cisterne), kruti{9}}ugrađeni standardni grijači su neprikladni osim ako su transportne vibracije izmjerene i potvrđene ispod amplitude 0,3 mm. Preporučena rješenja za mobilne aplikacije su: odvojena montaža pomoću fleksibilnog pletenog crijeva (najbolje performanse, umjerena cijena), grijači s oprugama (dobar učinak, veća cijena) ili opružni izolatori (umjerene performanse, najniža cijena). Inženjeri koji specificiraju grijače za mobilne rezervoare moraju uključiti izolaciju vibracija u specifikaciju projekta. Troškovi izolacijskih komponenti (100–500 USD) su mali u poređenju sa troškovima kvara grijača tokom transporta-što može uključivati curenje hemikalija, kontaminaciju rezervoara i kršenje propisa. Za svaki rezervoar koji se kreće dok je grijač instaliran, pretpostavite da će vibracije biti prisutne i projektirajte u skladu s tim. Statične-pretpostavke o rezervoaru se ne primjenjuju.
