Wyciek pojawiający się na wsporniku
Zbiorniki do anodowania kwasem siarkowym pracujące w temperaturze 20–22 stopni i z dużą zawartością rozpuszczonego aluminium wymagają znacznej wydajności chłodzenia. Wymiennik ciepła składa się zazwyczaj z płaszcza-i-PTFE lub wężownicy zanurzeniowej, w której płyn procesowy krąży z szybkością 15–25 m³/h w celu utrzymania jednorodności temperatury w zbiornikach o dużej objętości. Urządzenie sprawuje się dobrze przez pierwsze kilka miesięcy. Następnie pojawia się nieszczelność w miejscu trudnym do wyjaśnienia: w miejscu, w którym rura styka się ze wspornikiem, z dala od złącza spawanego lub połączenia blachy rurowej.
Kontrola ujawnia, że rura jest zużyta w miejscu styku lub na powierzchni rury, w miejscu jej przylegania do wspornika, pojawiło się pęknięcie zmęczeniowe. Sąsiednie rury wykazują podobne wzorce zużycia. Płyta rurowa i kolektor są nienaruszone. Awaria wystąpiła w niepodpartej rozpiętości rury, spowodowana drganiami wywołanymi przepływem.
Dlaczego rurki PTFE reagują inaczej na przepływ niż rurki metalowe
Wibracje-indukowane przepływem są uwzględniane przy projektowaniu wszystkich wymienników płaszczowych-i-rurowych, ale właściwości materiału PTFE zmieniają zachowanie wibracji w sposób, którego nie uwzględniają standardowe zasady projektowania.
PTFE ma gęstość około 2200 kg/m3, czyli mniej więcej jedną-jedną czwartą gęstości stali nierdzewnej. Niższa masa zmniejsza bezwładność odporności na wibracje, więc ta sama siła płynu wytwarza większą odpowiedź amplitudową. PTFE ma również znacznie niższy moduł sprężystości, około 0,5 GPa w porównaniu do 200 GPa w przypadku stali nierdzewnej. Mniejsza sztywność zmniejsza częstotliwość drgań własnych rury i zwiększa ugięcie pod danym obciążeniem.
Połączenie małej masy i małej sztywności oznacza, że rury PTFE mają niższe częstotliwości własne i wyższe amplitudy drgań niż rury metalowe o tych samych wymiarach i rozstawie podpór. Rozpiętość podparcia odpowiednia dla rurki metalowej może być niewystarczająca w przypadku rurki PTFE pracującej w tym samym polu przepływu.
Mechanizm odprowadzania wirów w wiązkach rurek
Dominującym mechanizmem wzbudzania drgań w-wiązkach rur o przepływie krzyżowym jest wydzielanie wirów. Gdy płyn przepływa przez rurkę, wiry tworzą się i oddzielają na przemian z każdej strony rurki. Naprzemienne wydzielanie wirów wytwarza siłę oscylacyjną prostopadłą do kierunku przepływu. Kiedy częstotliwość wydzielania zbliża się do częstotliwości naturalnej rozpiętości rury, pojawia się rezonans, a amplituda drgań dramatycznie wzrasta.
Częstotliwość wydzielania wirów zależy od prędkości przepływu i średnicy rury. Dla rury o średnicy 9,52 mm i prędkości przepływu 1,5 m/s częstotliwość wydzielania mieści się w przedziale 80–120 Hz. Częstotliwość drgań własnych rury PTFE zależy od długości rozpiętości, sztywności rury i warunków brzegowych na podporach. Dla swobodnie podpartej rozpiętości 300 mm częstotliwość drgań własnych rury PTFE o średnicy 9,52 mm wynosi około 40–60 Hz. Dla rozpiętości 200 mm częstotliwość drgań własnych wzrasta do 90–130 Hz.
Nakładanie się zakresu częstotliwości wydzielania i zakresu częstotliwości drgań własnych dla typowych rozpiętości rurek PTFE powoduje, że odprowadzanie wirów stanowi problem projektowy w przypadku usług anodowania-z wysokim przepływem. Niewielka zmiana prędkości przepływu lub rozstawu podpór może spowodować zbieżność obu częstotliwości, powodując nagły wzrost amplitudy drgań i odpowiadający mu wzrost uszkodzeń zmęczeniowych w punktach podparcia.
Jak zużycie i zmęczenie oddziałują na punkty podparcia
Wibracje w punkcie podparcia powodują dwa różne mechanizmy uszkodzeń, które współdziałają, skracając żywotność rury.
Pierwszym z nich jest niepokojące zużycie. Rurka porusza się po powierzchni nośnej z małą amplitudą, zwykle 0,05–0,2 mm, z dużą częstotliwością. Nacisk kontaktowy w punkcie podparcia koncentruje się na małej powierzchni. Przez miliony cykli powierzchnia PTFE ulega ścieraniu, a ścianka rurki staje się cieńsza w miejscu styku. Szybkość zużycia zależy od nacisku kontaktowego, wykończenia powierzchni podłoża i obecności cząstek ściernych w płynie procesowym.
Drugie to pękanie zmęczeniowe. Naprężenie zginające w punkcie podparcia odwraca się z każdym cyklem wibracji. Amplituda naprężeń zależy od amplitudy drgań i geometrii przęsła. PTFE ma granicę wytrzymałości zmęczeniowej, która jest niższa niż jego wytrzymałość statyczna, a wytrzymałość zmęczeniowa maleje wraz ze wzrostem temperatury. W punkcie podparcia połączenie naprężenia zginającego i naprężenia kontaktowego jeszcze bardziej zmniejsza trwałość zmęczeniową.
Interakcja pomiędzy zużyciem i zmęczeniem jest synergistyczna. W miarę jak ścianka rury staje się cieńsza w wyniku zużycia frettingowego, naprężenia zginające na pozostałej ściance wzrastają, przyspieszając inicjację pęknięć zmęczeniowych. Rura, która przetrwa 10 milionów cykli przy pełnej grubości ścianki, może ulec uszkodzeniu po 2 milionach cykli, gdy ścianka zostanie cieńsza o 20%.
Modyfikacje projektu, które zmniejszają uszkodzenia spowodowane wibracjami
Kilka modyfikacji konstrukcyjnych i operacyjnych może zredukować drgania rur-w wysokoprzepływowych wymiennikach ciepła PTFE do anodowania.
Zmniejszony odstęp podpór.Najbardziej bezpośrednią metodą zwiększenia częstotliwości drgań własnych rozpiętości rury jest zmniejszenie długości niepodpartej. Zmniejszenie o połowę rozstawu podpór zwiększa częstotliwość własną czterokrotnie i zmniejsza amplitudę drgań o podobny współczynnik. W przypadku anodowania przy wysokim-przepływie często niezbędny jest odstęp podpór wynoszący 150–200 mm w porównaniu z 300–400 mm w przypadku zastosowań przy niskim-przepływie.
Geometria wsparcia.Podpora powinna stykać się z rurą na dużym obszarze, a nie punktowo lub liniowo. Wspornik w kształcie siodła-dopasowany do krzywizny rury rozkłada naprężenia kontaktowe i zmniejsza stopień zużycia frettingowego. Powierzchnia podparcia powinna być gładka i pozbawiona ostrych krawędzi.
Wybór materiału rury.Wypełnione związki PTFE mają wyższą sztywność niż pierwotny PTFE, a zatem wyższe częstotliwości własne. Rurka PTFE wypełniona grafitem-może mieć częstotliwość drgań własnych o 20–30% wyższą niż rura niewypełniona o tych samych wymiarach, co zmniejsza ryzyko rezonansu w wyniku wydzielania wirów.
Dystrybucja przepływu.Zapewnienie równomiernego rozkładu przepływu w wiązce rur zapobiega powstawaniu stref-o dużej prędkości, które mogą wzbudzać wibracje w określonych rzędach rur. W zbiornikach ze słabo rozprowadzoną recyrkulacją mogą być konieczne przegrody wlotowe lub prostowniki przepływu.
Elementy tłumiące.Dodanie elementów tłumiących w punktach podparcia, takich jak tuleje elastomerowe lub wkładki wiskoelastyczne, rozprasza energię drgań i zmniejsza amplitudę. Materiał tłumiący musi być zgodny z chemią procesu i temperaturą.
Ograniczenia prędkości eksploatacyjnej.Ustalenie maksymalnej prędkości płynu procesowego w wiązce rur w oparciu o rozpiętość rury i konfigurację podpór zapewnia proste ograniczenie operacyjne. W przypadku rurek PTFE z rozstawem podpór wynoszącym 200 mm, zazwyczaj odpowiednia jest-prędkość przepływu poprzecznego wynosząca 1,0–1,2 m/s.
Porównanie konfiguracji pomocy technicznej dla usług o wysokim-przepływie
W poniższej tabeli podsumowano charakterystykę drgań różnych konfiguracji podpór dla rury PTFE o średnicy 9,52 mm podczas anodowania kwasem siarkowym z przepływem krzyżowym-w temperaturze 22 stopni przy prędkości przepływu objętościowego 1,5 m/s.
| Konfiguracja wsparcia | Długość rozpiętości | Częstotliwość naturalna | Amplituda wibracji | Oczekiwana żywotność lampy | Nosić mechanizm |
|---|---|---|---|---|---|
| Wspornik standardowy, rozstaw 400 mm | 400 mm | 25–35 Hz | Wysokie ryzyko rezonansu | 3–6 miesięcy | Zużycie cierne + zmęczenie |
| Wspornik standardowy, rozstaw 300 mm | 300 mm | 40–60 Hz | Umiarkowany | 8–14 miesięcy | Nerwowe zużycie |
| Wspornik siodełka, rozstaw 200 mm | 200 mm | 90–130 Hz | Niski | 24–36 miesięcy | Drobne zmartwienie |
| Wspornik siodełka, rozstaw 150 mm | 150 mm | 160–220 Hz | Bardzo niski | 48+ miesięcy | Nieistotny |
| Siodło tłumione, rozstaw 200 mm | 200 mm | 90–130 Hz | Bardzo niski | 48+ miesięcy | Nieistotny |
| Wypełniona rurka PTFE, siodełko, 200 mm | 200 mm | 110–150 Hz | Niski | 36–48 miesięcy | Drobne zmartwienie |
Oczekiwane wartości trwałości rur zakładają ciągłą pracę przy podanej prędkości przepływu, bez cząstek ściernych w płynie procesowym. Obecność cząstek ściernych, takich jak drobny tlenek glinu w kąpielach do anodowania, przyspieszy zużycie cierne i skróci żywotność rur.
Praktyki monitorowania i konserwacji
Wykrywanie problemów z wibracjami przed awarią rury wymaga monitorowania i praktyk konserwacyjnych, które wykraczają poza standardową kontrolę wymiennika ciepła.
Pomiar wibracji.Okresowy pomiar drgań wiązki rur za pomocą akcelerometru lub prostej sondy kontaktowej może wykryć zmiany amplitudy lub częstotliwości drgań, które wskazują na rezonans lub postęp zużycia. Pomiar bazowy przy uruchomieniu stanowi punkt odniesienia do porównania.
Weryfikacja prędkości przepływu.Potwierdzenie rzeczywistej-prędkości przepływu poprzecznego w wiązce rur przy projektowym współczynniku recyrkulacji gwarantuje, że urządzenie działa w granicach projektowych ograniczeń wibracji. Prędkość przekraczająca wartość projektową może wymagać zmniejszenia szybkości recyrkulacji lub modyfikacji wspornika rury.
Kontrola wsparcia.Sprawdzanie punktów podparcia pod kątem śladów zużycia lub pocienienia ścianek rury w zaplanowanych odstępach czasu konserwacyjnego pozwala na wczesne wykrycie uszkodzeń ciernych. Rura, która jest zużyta o więcej niż 20% grubości ścianki, powinna zostać wymieniona, zanim ulegnie uszkodzeniu.
Dostęp do wymiany rurki.Zaprojektowanie wymiennika ciepła ze zdejmowanymi wspornikami lub modułową wiązką rur umożliwia wymianę pojedynczych rur bez konieczności wymiany całego urządzenia. Zmniejsza to koszty konserwacji związanej-wibracjami i wydłuża ogólną żywotność wymiennika ciepła.
Parametry specyfikacji usługi anodowania-wysokoprzepływowego
Inżynierowie zajmujący się sprzętem wybierający wymiennik ciepła PTFE do-anodowania o wysokim przepływie lub podobnej usługi o wysokiej-recyrkulacji powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Zaprojektuj-prędkość przepływu poprzecznego.Określ maksymalną prędkość płynu procesowego w wiązce rur, a nie tylko całkowite natężenie przepływu. Parametrem wpływającym na drgania jest prędkość na powierzchni wiązki rur.
Rozstaw podpór i geometria.Określ maksymalną nieobsługiwaną rozpiętość i typ podpory. Podpory siodeł w rozstawie 150–200 mm są odpowiednie do zastosowań o dużym-przepływie.
Materiał tuby.Weź pod uwagę wypełniony PTFE lub-związki o dużej sztywności, aby uzyskać-wysoki przepływ. Wyższa częstotliwość własna zmniejsza ryzyko rezonansu.
Przepisy tłumiące.Zapytaj, czy w punktach podparcia dostępne są elementy tłumiące i czy są one kompatybilne z chemią procesu.
Analiza wibracji.W przypadku dużych lub krytycznych instalacji należy poprosić o analizę drgań proponowanej wiązki rur w projektowych warunkach przepływu. Analiza powinna potwierdzić, że częstotliwość drgań własnych rozpiętości rury jest dobrze oddzielona od częstotliwości wydzielania wirów.
Dostęp inspekcyjny.Potwierdzić, że punkty podparcia można sprawdzić bez wyjmowania wiązki rurek ze zbiornika lub płaszcza.
Wibracje rur-wywołane przepływem w wymiennikach ciepła z PTFE do anodowania to problem konstrukcyjny mechaniczny, który staje się krytyczny przy dużych prędkościach recyrkulacji. Mała masa i mała sztywność rurek PTFE przesuwają zakres częstotliwości własnych do obszaru, w którym powstawanie wirów z przepływu poprzecznego-może wzbudzić rezonans. Rozstaw podpór wynoszący 150–200 mm, wsporniki-w kształcie siodełka i wypełnione rurki PTFE zwiększają częstotliwość drgań własnych powyżej zakresu wzbudzenia i redukują amplitudę drgań do poziomu, który nie powoduje uszkodzeń ciernych ani zmęczeniowych. W przypadku linii anodowania, na których występują powtarzające się awarie rur w punktach podparcia, rozwiązaniem nie jest inny materiał rurki lub większy wymiennik ciepła, ale konstrukcja podpory uwzględniająca charakterystykę wibracyjną PTFE.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zakupów oceniający specyfikacje wymienników ciepła z PTFE pod kątem anodowania przy wysokim-przepływie lub innych usług chłodzenia z wysoką-recyrkulacją mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący rozstaw podpór, częstotliwość drgań własnych rur, ograniczenia-prędkości przepływu poprzecznego i warunki tłumienia, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych warunków przepływu i środowiska wibracyjnego zbiornika.
