Wyzwanie związane z wibracjami wywołanymi spęcznieniem-w reboilerach DMC
W kolumnach do oczyszczania węglanu dimetylu (DMC) pod temperaturą 90 stopni i ciśnieniem 5 barów stosuje się reboilery typu kotłowego z wiązkami rur pokrytych PFA-. DMC powoduje pęcznienie PFA o 1,5% objętości, zmieniając właściwości mechaniczne i tłumienie drgań rur. Analiza ilościowa z 7 zakładów produkcyjnych DMC pokazuje, że ścianki PFA o grubości 2,0 mm pęcznieją do 2,03 mm, zmniejszając moduł sprężystości z 480 MPa do 380 MPa (redukcja o 21%). Zmniejsza to częstotliwość drgań własnych o 10% i zwiększa amplitudę drgań o 25%, redukując trwałość zmęczeniową złącza rury-do-blachy rurowej z 10 lat do 4 lat.
Wpływ pęcznienia na właściwości mechaniczne
Absorpcja DMC (pęcznienie 1,5% objętości) uplastycznia PFA, zmniejszając sztywność i zwiększając zdolność tłumienia. Testowanie w 90 stopniach w-nasyconym DMC PFA:
| Parametr | Suchy PFA | DMC-Spęczniały PFA (pęcznienie 1,5%) | Zmiana |
|---|---|---|---|
| Moduł sprężystości (MPa) | 480 | 380 | -21% |
| Moduł magazynowania (MPa przy 1 Hz) | 420 | 320 | -24% |
| Moduł stratności (MPa) | 45 | 55 | +22% |
| Współczynnik tłumienia (ζ) | 0.05 | 0.08 | +60% |
| Częstotliwość własna (f_n) | 100% | 90% | -10% |
Amplituda drgań i dynamika wiązki lamp
W reboilerach kotłowych przepływ-dwufazowy (wrzący DMC) powoduje powstawanie wibracji-indukowanych przepływem. W przypadku rury o długości 5 m zmniejszona sztywność zwiększa amplitudę:
| Stan rurki | Częstotliwość naturalna (Hz) | Amplituda wibracji (mm szczyt) | Naprężenie rury-do-blachy rurowej (MPa) | Cykl życia do awarii zmęczeniowej |
|---|---|---|---|---|
| Suchy (wartość bazowa) | 22 | 0.8 | 25 | >10^7 cykli |
| DMC-obrzęk (1,5%) | 20 | 1.0 | 31 | 5×10^6 cykli |
| DMC-obrzęk + przepływ | 19 | 1.2 | 38 | 2×10^6 cykli |
| Obrzęk + uszkodzenie stawu | 17 | 1.5 | 48 | 5×10^5 cykli |
Zmęczenie połączenia rura-do-blacha rurowego
Połączenie pomiędzy rurą PFA i blachą rurową ze stali nierdzewnej podlega cyklicznym naprężeniom wynikającym z wibracji. Spęczniałe PFA mają mniejszą wytrzymałość i większe pełzanie, co przyspiesza uszkodzenie stawów. Badanie zmęczeniowe w temperaturze 90 stopni w DMC:
| Typ złącza | Stan PFA | Cykle do wycieku (ciśnienie 1 bar) | Tryb awarii |
|---|---|---|---|
| Okucie mechaniczne | Suchy | 8×10^6 | Poluzowanie okuć |
| Okucie mechaniczne | Spuchnięty | 2×10^6 | Pełzanie PFA, wyciek |
| Klejenie-połączone | Suchy | 5×10^6 | Zmęczenie więzią |
| Klejenie-połączone | Spuchnięty | 1×10^6 | Uszkodzenie wiązania, naprężenie pęczniejące |
| Spawane (PFA-PFA) | Spuchnięty | 4×10^6 | Pełzanie spoiny dopuszczalne |
Kinetyka i stabilizacja pęcznienia
Pęcznienie DMC osiąga równowagę po 500 godzinach w temperaturze 90 stopni. W tym okresie zmieniają się wymiary rur i następuje redystrybucja naprężeń w złączach. W przypadku nowych reboilerów należy wykonać-pęcznienie wstępne (DMC w temperaturze 90 stopni przez 500 godzin) przed ostatecznym momentem obrotowym połączeń mechanicznych. Po osiągnięciu równowagi pęcznienia poprawia się utrzymanie momentu obrotowego stawu.
Grubość ścianki i naprężenie pęczniejące
Grubsze ściany podlegają większym naprężeniom pęczniejącym z powodu większego wiązania. Dla ścianki o grubości 1,5 mm naprężenie pęczniejące wynosi 2,5 MPa; dla 2,0 mm, 3,5 MPa; dla 2,5 mm, 5,0 MPa. Wyższe naprężenia przyspieszają pełzanie w połączeniach. W przypadku usługi DMC należy określić cieńsze ścianki (1,5-1,8 mm), aby zminimalizować naprężenia pęczniejące na stawach, pomimo nieco wyższego ryzyka przenikania.
| Grubość ścianki | Naprężenie pęczniejące (MPa) | Współczynnik redukcji życia stawów | Zalecany typ złącza |
|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 2.5 | 0.8x | Okucie mechaniczne |
| 1,8 mm | 3.0 | 1,0x (wartość bazowa) | Mechaniczne lub spawane |
| 2,0 mm | 3.5 | 1.3x | Spawane |
| 2,5 mm | 5.0 | 2.0x | Spawane (obowiązkowe) |
Tłumienie drgań za pomocą spęczniałego PFA
Zwiększony współczynnik tłumienia (0,05 → 0,08) jest korzystny w zmniejszaniu amplitudy rezonansu, ale nie może kompensować zmniejszonej sztywności. Efektem netto jest większa amplituda przy rezonansie. W przypadku reboilerów, w których występują problemy z wibracjami-wywoływanymi przepływem, należy określić płyty wsporcze rur w mniejszych odstępach (0,8 m w porównaniu z. 1.2 m), aby zwiększyć częstotliwość własną i zmniejszyć amplitudę.
Wytyczne dotyczące specyfikacji reboilerów DMC
W przypadku reboilerów oczyszczających DMC w temperaturze 90 stopni należy określić PFA o grubości ścianki 1,8 mm (w celu zminimalizowania naprężenia pęczniejącego) i spawanych połączeń rurowych-z-arkuszem rurowym. Wymagają-pęcznienia wstępnego (DMC w temperaturze 90 stopni przez 500 godzin) przed ostatecznym montażem. W przypadku projektów, w których występują-wibracje, należy określić mniejszy odstęp podpór rurowych i przeprowadzić analizę elementów skończonych, uwzględniając właściwości mechaniczne spęczniałego PFA. Prosząc o wycenę, podaj długość rurek, rozstaw podpór i oczekiwany reżim przepływu-fazowego. Premia za połączenia spawane (10-15% w stosunku do połączeń mechanicznych) jest uzasadniona 4-krotnie dłuższą trwałością zmęczeniową w serwisie DMC, gdzie awaria reboilera powoduje przestoje kolumny, co kosztuje 20 000-50 000 dolarów dziennie. W przypadku istniejących reboilerów ze złączami mechanicznymi, dokręcić ponownie po 500 godzinach początkowej pracy (po spęcznieniu), a następnie co roku. W przypadku systemów charakteryzujących się wysokimi wibracjami (możliwymi do przewidzenia na podstawie modelowania przepływu dwufazowego) należy określić ściany o grubości 1,5 mm ze złączami spawanymi i dodatkowymi płytami wsporczymi.
