Схема трещины на входе пара
На теплообменнике из ПТФЭ, снятом для проверки после 6 лет эксплуатации, обнаружен характерный рисунок трещин. На внешних поверхностях нескольких труб имеются мелкие трещины по окружности, сосредоточенные в первых 150-300 мм от патрубка впуска пара. Трещины неглубокие-, проникают на 10-30% толщины стенки и ориентированы перпендикулярно оси трубы. В средней и выходной части трубок трещин не видно.
Такая закономерность указывает на механизм разрушения, локализованный в зоне паропритока. Входное отверстие находится там, где самый горячий пар впервые контактирует со стенкой трубы, где температурный градиент через стенку самый крутой и где термоциклирование имеет наибольшую амплитуду. Трещины возникают в результате взаимодействия ползучести (из-за постоянного давления пара при повышенной температуре) и термической усталости (из-за циклического расширения и сжатия стенки трубы во время изменений температуры процесса).
Ползучесть-Взаимодействие с усталостью
На входе пара стенка трубы работает при самой высокой температуре в теплообменнике-близкой к температуре насыщения пара внутри и несколько более прохладной снаружи из-за передачи тепла технологической жидкости. Градиент температуры через стену создает градиент теплового расширения. Внутренняя стена хочет расшириться больше, чем внешняя. Это дифференциальное расширение создает растягивающее напряжение на внешней поверхности.
Во время устойчивой работы это растягивающее напряжение ослабляется за счет ползучести. Полимерные цепи скользят, приспосабливаясь к напряжению. Во время переходного процесса-остановки процесса, прерывания подачи пара, смены партии-температура стенки трубы быстро меняется. Внешняя поверхность, контактирующая с технологической жидкостью, охлаждается быстрее, чем внутренняя поверхность. Термическая деформация меняется на противоположную, накладывая циклическое напряжение на устойчивое напряжение ползучести.
Сочетание длительной ползучести (которая снижает пластичность материала) и циклического термического напряжения (которое требует пластичности) приводит к зарождению трещин на поверхности. Трещины образуются перпендикулярно максимальному растягивающему напряжению, которое находится в окружном направлении-отсюда и окружная ориентация.
| Условия эксплуатации | Вклад в урон от крипов | Вклад усталостного ущерба | Риск возникновения трещины |
|---|---|---|---|
| Непрерывная работа 24/7; редкие отключения | Высокий | Низкий | Умеренный (преобладает-ползучесть) |
| Ежедневные пакетные циклы; 1-2 отключения в день | Умеренный | Высокий | Высокая (взаимодействие с ползучестью-усталостью) |
| Недельные циклы; непрерывно между отключениями | Умеренный | Умеренный | Умеренная-Высокая |
| Низкое давление пара (< 2 barg) | Низкий | Низкий | Низкий |
Стратегии смягчения последствий
Несколько стратегий снижают риск образования трещин по окружности на входе пара. Снижение давления пара снижает температуру стенки трубы и снижает скорость ползучести. Если процесс допускает более низкую скорость нагрева, работа при 2 бар (изб.) вместо 4 бар (изб.) значительно продлевает время возникновения трещины.
Пароохладитель или редукционный-клапан давления, установленные рядом с входом в теплообменник, могут гарантировать, что пар, поступающий в трубы, находится в состоянии насыщения, а не перегретого. Перегретый пар имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар при том же давлении, и ускоряет разрушение при ползучести.
Для новых конструкций теплообменников входная секция трубок может быть выполнена с более толстой стенкой -1,5 мм вместо 1,0 мм-, чтобы обеспечить дополнительный срок службы при ползучести в зоне наибольшего напряжения. Более толстая стенка снижает окружное напряжение и увеличивает время возникновения трещин. Остальная часть трубки может оставаться со стандартной толщиной стенок, чтобы избежать ненужного ухудшения теплопередачи.
Инспекция и мониторинг
Во время планового технического обслуживания трубы на впуске пара следует проверять на наличие трещин по окружности. Капиллярный тест, адаптированный для ПТФЭ, как описано в предыдущем анализе, может обнаружить трещины-разрыва поверхности размером всего 0,1 мм. Ультразвуковое измерение толщины отслеживает утончение стенки из-за ползучести. Комбинация обнаружения трещин и измерения толщины обеспечивает полную оценку состояния трубы в наиболее критическом месте.
Краткое содержание
Кольцевое растрескивание на входе пара в трубках теплообменника из ПТФЭ вызвано ползучестью-усталостным взаимодействием-устойчивым растягивающим напряжением из-за дифференциального теплового расширения в самой горячей зоне в сочетании с циклической термической деформацией из-за изменений температуры процесса. Смягчение последствий включает снижение давления пара, устранение перегрева и утолщение стенок труб на впускной секции. Периодический контроль цветной дефектоскопии и ультразвуковое измерение толщины контролируют состояние этой критической зоны.
Техническая поддержка для анализа неисправностей теплообменника из ПТФЭ и продления срока службы доступна после предоставления истории рабочих температур, давления пара, частоты циклов и любых наблюдаемых трещин.
