Истончение на повороте
Персонал по техническому обслуживанию снимает теплообменник из ПТФЭ после пяти лет эксплуатации. Ультразвуковое измерение толщины показывает, что стенки труб на прямых участках соответствуют техническим требованиям: их толщина составляет 0,95-1,00 мм против исходных 1,00 мм. Однако на изгибах толщина внешней стенки составляет 0,70-0,75 мм — уменьшение на 25–30%. Изгиб – это место, ограничивающее жизнь.
Утончение стенок на изгибах является предсказуемым следствием процесса изгиба в сочетании с длительной-ползучестью при повышенной температуре. Во время изгиба внешняя стенка трубки растягивается, чтобы вместить большую длину дуги вокруг изгиба. Стенка становится тоньше, чтобы сохранить объем. При рабочей температуре и внутреннем давлении пара утонченная внешняя стенка ползет быстрее, чем более толстые прямые участки, что со временем еще больше уменьшает толщину.
Радиус изгиба определяет начальное утончение. Более крутые изгибы приводят к большему истончению. Указание минимального радиуса изгиба во время проектирования предотвращает чрезмерное первоначальное утончение и ограничивает последующую скорость ползучести до приемлемых уровней в течение срока службы.
Соотношение изгибной деформации и утончения
При изгибе прямой трубы длина внешней дуги превышает длину внутренней дуги. Материал на внешней стороне изгиба должен растягиваться; материал внутри сжимается. Деформация на внешней поверхности равна ε=r / R, где r — внешний радиус трубы, а R — радиус центральной линии изгиба.
Толщина стенки после изгиба, при условии постоянной объемной деформации, равна примерно t_bent=t_original / (1 + ε). Для трубки с внешним диаметром 10 мм (r=5 мм), изогнутой до радиуса R=150 мм, деформация внешнего волокна составляет 5/150=3.33%. Толщина стенки на внешнем изгибе уменьшается примерно до 0,968 мм с 1 000 мм-, то есть на 3,2 %.
При более сильном изгибе при R=100 мм деформация составляет 5/100=5 %. Стенка утончается до 0,952 мм-, то есть на 4,8 %.
При рабочей температуре и внутреннем давлении скорость ползучести в утонченном участке выше, чем в прямом участке полной-толщины. Истончение со временем ускоряется. Первоначальное утончение на 3-5% в результате изгиба может стать утонением на 15-30% после нескольких лет эксплуатации.
Таблица 1. Радиус изгиба и утончение стенок трубок теплообменника из ПТФЭ (наружный диаметр 10 мм × стенка 1 мм)
| Радиус осевой линии изгиба (мм) | Отношение радиуса-к-диаметру (R/D) | Натяжение внешнего волокна (%) | Начальная толщина стенки при изгибе (мм) | Предполагаемая 5-летняя стена под углом 143 градуса (мм) | Пригодность |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 (рекомендуемый минимум) | 25 | 2.0 | 0.980 | 0.90-0.94 | Отлично (срок службы: 10+ год) |
| 200 | 20 | 2.5 | 0.975 | 0.85-0.90 | Хороший |
| 150 | 15 | 3.33 | 0.968 | 0.78-0.85 | Приемлемо при осмотре |
| 120 | 12 | 4.17 | 0.960 | 0.70-0.80 | Маргинальное (уменьшите давление пара) |
| 100 | 10 | 5.0 | 0.952 | 0.60-0.72 | Не рекомендуется для работы с паром. |
| 75 | 7.5 | 6.67 | 0.938 | < 0.60 (high failure risk) | Не приемлемо |
Дополнение овализации
Изгиб не только утончает внешнюю стенку, но и придает овальную форму поперечному-сечению трубы. На изгибе трубка становится слегка эллиптической, с малой осью в плоскости изгиба. Овальная форма концентрирует кольцевое напряжение от внутреннего давления в точках максимальной кривизны, еще больше ускоряя ползучесть.
Трубка, согнутая до рекомендуемого минимального радиуса 25D, сохраняет овальность ниже 5%. Более крутые изгибы создают большую овальность. Совместное воздействие утончения стенок, овальности и концентрации напряжений делает изгиб критическим местом для определения срока службы.
Технические характеристики профилактического проектирования
Основной профилактической мерой является определение минимального радиуса изгиба, в 25 раз превышающего внешний диаметр трубы-того же радиуса, рекомендованного для предотвращения перекручивания. Этот радиус ограничивает первоначальное утончение до 2% и гарантирует, что овальность остается ниже 5%.
Изгибы следует проверять после изготовления с помощью датчика годности/не годности-и ультразвукового измерения толщины. Минимальную толщину стенки по внешнему радиусу изгиба следует задокументировать в качестве базовой линии для будущих сравнений.
Во время обслуживания изгибы следует включать в программу ультразвукового измерения толщины. Изгибы, на которых толщина стенки менее 0,75 мм при номинальной стенке 1,0 мм, должны быть запланированы к замене.
Краткое содержание
Локализованное утончение стенок на изгибах трубок теплообменника из ПТФЭ возникает в результате растяжения внешней стенки во время изгиба, что усугубляется ускоренной ползучестью утонченной секции при рабочей температуре и давлении. Минимальный рекомендуемый радиус изгиба, составляющий 25 диаметров трубы, ограничивает начальное утонение до 2 % и обеспечивает приемлемые долгосрочные-характеристики ползучести.
Более крутые изгибы приводят к пропорционально большему утончению и сокращению срока службы. Ультразвуковое измерение толщины на изгибах после-изготовления и-эксплуатации дает количественные данные для принятия решения о замене.
Технические условия на гибку и проверку труб из ПТФЭ доступны после предоставления размеров труб, радиусов изгиба, рабочей температуры и давления, а также требуемого срока службы.
