Необъяснимая усталость трубок
В теплообменнике из ПТФЭ в контуре рециркуляции с насосом возникают утечки в соединениях труб-с-коллектором после 18 месяцев эксплуатации. Химия доброкачественная. Температура умеренная. Давление находится в пределах проектных значений. Тем не менее, на трубах наблюдаются признаки усталостного растрескивания в точках опоры и соединениях коллектора.
Основная причина – вибрация. Трубки из ПТФЭ гибкие и легкие. Эта гибкость является преимуществом с точки зрения теплового расширения и ударопрочности. Но это также делает трубы восприимчивыми к вибрациям,-вызванным потоком. Когда жидкость течет по пучку труб с определенной скоростью, она создает колебательные силы, которые возбуждают движение труб. За миллионы циклов эта вибрация приводит к усталостным повреждениям в точках концентрации напряжений.
Механизм вибрации, вызванной потоком-
Два основных механизма вызывают вибрацию в пучках труб теплообменника. Образование вихрей происходит, когда жидкость течет мимо трубки, создавая в следе чередующиеся вихри. Эти вихри отделяются с частотой, пропорциональной скорости потока, деленной на диаметр трубы. Когда частота пропускания приближается к собственной частоте трубки, возникает резонанс. Трубка вибрирует с большой амплитудой.
Возбуждение турбулентности представляет собой случайное воздействие хаотических колебаний давления в турбулентном потоке. Он не создает резкого резонансного пика образования вихрей, но генерирует вибрацию широкого-спектра, которая со временем накапливает усталостные повреждения. Возбуждение турбулентности преобладает в близко расположенных пучках трубок, где вихреобразование подавляется соседними трубками.
Собственная частота трубки зависит от ее диаметра, толщины стенки, модуля упругости материала, длины пролета без опоры и массы жидкости внутри и снаружи трубки. Трубки из ПТФЭ имеют более низкие собственные частоты, чем эквивалентные металлические трубки, из-за более низкого модуля упругости. Это приближает их к частотному диапазону возбуждения, вызванного общим потоком.
Таблица 1. Оценка риска вибрации в зависимости от состояния потока и расстояния между опорами трубок (трубка из ПТФЭ с внешним диаметром 10 мм)
| Скорость поперечного потока (м/с) | Расстояние между опорами 300 мм | Расстояние между опорами 400 мм | Расстояние между опорами 500 мм | Требуется смягчение последствий |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | Низкий риск | Низкий риск | Умеренный риск | Нет до минимума |
| 0.5 | Низкий риск | Умеренный риск | Высокий риск | Рекомендуется выпрямитель потока |
| 0.8 | Умеренный риск | Высокий риск | Очень высокий риск | Кондиционирование потока + уменьшенное расстояние |
| 1.2 | Высокий риск | Очень высокий риск | Критический риск | Требуется редизайн |
| 1.5 | Очень высокий риск | Критический | Критический | Не рекомендуется без значительных мер по смягчению последствий. |
Уровни риска основаны на частоте образования вихрей относительно расчетной собственной частоты трубки для ПТФЭ со стенкой 1,0 мм и плотностью жидкости 1100 кг/м³. Фактический риск зависит от конкретной геометрии и распределения потока.
Решения для кондиционирования входного потока
Наиболее эффективное подавление вибрации – это предотвращение возмущения потока в его источнике. Поток, входящий в пучок труб, должен быть равномерно распределен и не иметь крупномасштабной-турбулентности. Впускная камера или распределительный коллектор, который плавно расширяет входящий поток, снижает местные скорости и разрушает большие водовороты до того, как они достигнут трубок.
Перфорированные распределительные пластины, расположенные между входным соплом и пучком труб, выравнивают профиль скорости. Пластина создает равномерный перепад давления, который распределяет поток по поперечному сечению-пучка. Для обеспечения эффективности перепад давления на пластине должен быть как минимум в 1,5 раза больше динамического давления входящего потока.
Выпрямляющие лопатки внутри впускного патрубка или трубопровода уменьшают завихрение и крупномасштабную турбулентность от компонентов трубопровода, расположенных выше по потоку. Поток нагнетания насоса особенно неприятен-крыльчатка создает как завихрения, так и периодические пульсации на частоте прохождения лопаток. Выпрямитель потока, установленный на расстоянии 5-10 диаметров трубы перед входом в теплообменник, разрушает эти структуры.
Поддержка изменений для существующих установок
Когда одного лишь регулирования потока недостаточно, дополнительные опоры трубки уменьшают неподдерживаемый диапазон и повышают собственную частоту выше диапазона возбуждения. Промежуточные опорные пластины, добавленные между существующими опорами, сокращают длину пролета вдвое и могут увеличить собственную частоту в четыре раза.
Демпфирование можно увеличить, изменив конструкцию опоры. Опоры с плотным-зазором, которые допускают термическое скольжение, но предотвращают боковое смещение, преобразуют удары-трубы по-опоре в рассеивание энергии. Трубка все еще может расширяться в осевом направлении, но не может создавать большие амплитуды вибрации.
Для новых установок анализ вибрации должен быть частью процесса проектирования. Ожидаемые условия потока определяют максимально допустимый неопорный пролет. Этот интервал задает расстояние между опорными пластинами. Проектирование для предотвращения вибрации обходится дешевле, чем модернизация после появления усталостных повреждений.
Краткое содержание
Вибрационные повреждения трубок теплообменника из ПТФЭ возникают в результате механизмов возбуждения,-индуцированных потоком, включая образование вихрей и турбулентность. Гибкие и легкие трубки имеют собственные частоты, которые могут совпадать с частотами возбуждения при типичных скоростях технологического потока.
Смягчение начинается с кондиционирования входного потока-распределительных пластин и выпрямляющих лопаток, которые обеспечивают равномерный поток с низкой-турбулентностью, поступающий в пучок. Дополнительные опоры трубки уменьшают неподдерживаемый диапазон и повышают собственную частоту. В новых конструкциях анализ вибрации на этапе проектирования предотвращает дорогостоящие модификации на месте.
Инженерный анализ для оценки и снижения риска вибрации теплообменника из ПТФЭ доступен после предоставления размеров труб, расстояния между опорами, скорости потока, свойств жидкости, а также любых наблюдаемых симптомов вибрации или истории отказов.
