Tiub Yang Perlahan Merubah Bentuk
Penukar haba PTFE yang menyediakan proses asid sulfurik pekat pada 175 darjah beroperasi tanpa masalah yang jelas selama dua tahun. Pada tahun ketiga, pengendali mendapati penggunaan wap semakin meningkat untuk mengekalkan suhu. Pemeriksaan semasa penutupan tahunan mendedahkan punca: tiub telah memanjang dan menipis. Diameter luar mereka telah berkurangan sedikit. Ikatan tiub kelihatan terbentang.
Tiada kegagalan mengejut berlaku. Tiada kebocoran berlaku. Tiub hanya berubah bentuk secara perlahan selama beribu-ribu jam di bawah pengaruh gabungan suhu, tekanan wap dalaman dan berat-sendiri. Ini adalah rayapan: masa-ubah bentuk kekal bergantung pada tekanan berterusan di bawah kekuatan hasil jangka pendek-bahan.
Pada 175 darjah, PTFE adalah stabil dari segi kimia dan berada dalam suhu perkhidmatan berterusan yang dinilai 260 darjah. Tetapi kestabilan kimia dan kestabilan mekanikal adalah sifat yang berbeza. Penarafan bahan tidak menjamin kebebasan daripada ubah bentuk rayapan dalam tempoh yang panjang di hujung atas julat suhu.
Mekanisme Rayapan dalam PTFE
Rayapan berlaku dalam semua polimer pada suhu tinggi. Rantai molekul, biasanya terikat dan menentang ubah bentuk, memperoleh tenaga haba yang mencukupi untuk menggelongsor antara satu sama lain di bawah tekanan yang dikenakan. Kadar gelongsor bergantung pada suhu, magnitud tegasan dan masa.
Dalam tiub penukar haba PTFE, tegasan utama ialah tegasan gelung daripada tekanan wap dalaman. Untuk tiub OD 10mm dengan dinding 1mm pada tekanan dalaman 4 barg, tegasan gelung adalah lebih kurang 2 MPa. Pada suhu ambien, kadar rayapan PTFE pada tekanan ini boleh diabaikan. Pada 175 darjah, kadar rayapan menjadi boleh diukur.
Tiub juga mengalami tegasan paksi daripada pengembangan terma terkurung dan tegasan lentur daripada-berat diri antara penyokong. Tegasan ini lebih kecil daripada tegasan gelung tetapi menyumbang kepada jumlah ubah bentuk rayapan.
Rayapan menjelma dalam tiga perubahan yang boleh diperhatikan: pemanjangan tiub, penipisan dinding, dan pengurangan diameter. Pemanjangan berlaku kerana tegasan gelung menghasilkan ketegangan paksi melalui kesan Poisson. Penipisan dinding terhasil daripada ubah bentuk-isipadu yang berterusan: apabila tiub memanjang dan mengecil, ketebalan dinding berkurangan untuk menjimatkan isipadu bahan.
Jadual 1: Anggaran Ubah Bentuk Rayapan lwn. Suhu Kendalian untuk Tiub PTFE (10mm OD, 1mm Dinding, 4 barg Stim)
| Suhu Operasi (darjah) | Kadar Rayapan Relatif | Ketebalan Dinding Selepas 1 Tahun (mm) | Ketebalan Dinding Selepas 3 Tahun (mm) | Tekanan Pecah Selepas 3 Tahun (bar) | Hayat Perkhidmatan Disyorkan |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Boleh diabaikan | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 tahun |
| 120 | Sangat rendah | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 tahun |
| 140 | rendah | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 tahun |
| 160 | Sederhana | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 tahun |
| 180 | tinggi | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 tahun |
| 200 | Sangat tinggi | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Anggaran nilai berdasarkan data rayapan PTFE yang diterbitkan dan ekstrapolasi Arrhenius. Kadar sebenar bergantung pada gred resin tertentu, kehabluran dan sejarah pemprosesan. Hayat perkhidmatan ditakrifkan sebagai masa untuk mencapai 50% daripada tekanan pecah asal.
Pengubahsuaian Reka Bentuk untuk Perkhidmatan Lanjutan
Mengurangkan tegasan gelung memanjangkan hayat perkhidmatan pada suhu tertentu. Kaedah paling mudah ialah mengurangkan tekanan wap. Beroperasi pada 2 barg dan bukannya 4 barg mengurangkan separuh tegasan gelung, lebih kurang menggandakan masa untuk mencapai ketegangan rayapan tertentu.
Meningkatkan ketebalan dinding tiub memberikan margin langsung terhadap penipisan. Tiub dinding 1.5mm yang beroperasi pada 175 darjah mencapai ketebalan dinding minimum yang sama seperti tiub 1.0mm dalam kira-kira dua kali masa. Penalti dikurangkan pemindahan haba, memerlukan lebih banyak kawasan permukaan secara proporsional.
Menggunakan gred PTFE{0}}habluran yang lebih tinggi meningkatkan rintangan rayapan. Formulasi PTFE yang diubah suai dengan berat molekul terkawal dan kehabluran mempamerkan kadar rayapan 30-50% lebih rendah daripada gred standard pada suhu dan tegasan yang sama. Kenaikan kos bahan adalah sederhana berbanding lanjutan hayat perkhidmatan.
Kriteria Pemeriksaan dan Persaraan
Tiub yang beroperasi pada suhu melebihi 150 darjah perlu diperiksa setiap tahun untuk ubah bentuk rayapan. Pengukuran diameter luar dan ketebalan dinding di lokasi yang mewakili menjejaki perkembangan penipisan. Tolok ketebalan ultrasonik menyediakan data ketebalan dinding yang tidak{3}}musnah.
Kriteria persaraan hendaklah ditetapkan semasa pemasangan. Kriteria biasa ialah pengurangan ketebalan dinding kepada 60% daripada nilai asal. Pada ketika ini, faktor keselamatan tekanan pecah dikurangkan daripada kira-kira 8:1 kepada 3:1, yang masih mencukupi untuk tekanan operasi tetapi meninggalkan margin yang dikurangkan untuk lawatan tekanan.
Tiub yang menunjukkan pengurangan diameter atau pemanjangan yang boleh dilihat melebihi 10% harus diganti tanpa mengira ketebalan mutlak, kerana ubah bentuk menunjukkan bahan telah menghabiskan banyak kemuluran rayapannya.
Ringkasan
Operasi penukar haba PTFE berterusan berhampiran 180 darjah menghasilkan ubah bentuk rayapan yang secara beransur-ansur menipis dinding tiub dan mengurangkan margin tekanan pecah. Kadar ubah bentuk bergantung secara eksponen pada suhu dan secara linear pada tegasan gelung.
Hayat perkhidmatan pada 175 darjah dengan gred PTFE standard dan stim 4 barg adalah lebih kurang 2-4 tahun berdasarkan penipisan rayapan. Tekanan wap yang lebih rendah, dinding yang lebih tebal dan gred PTFE yang berhabluran lebih tinggi memanjangkan ini dengan ketara. Pengukuran ketebalan dinding tahunan menjejaki perkembangan dan menyokong keputusan persaraan.
Analisis kejuruteraan untuk ramalan hayat perkhidmatan penukar haba PTFE pada keadaan operasi tertentu tersedia selepas penyerahan sejarah suhu operasi, tekanan stim, dimensi tiub, gred bahan dan sebarang ukuran ubah bentuk sedia ada.
