I tubi che si deformano lentamente
Uno scambiatore di calore in PTFE che serve un processo di acido solforico concentrato a 175 gradi funziona senza evidenti problemi per due anni. Durante il terzo anno, gli operatori notano che il consumo di vapore aumenta gradualmente per mantenere la temperatura. Un controllo durante la chiusura annuale ne svela la causa: i tubi si sono allungati e assottigliati. Il loro diametro esterno è leggermente diminuito. Il fascio tubiero sembra allungato.
Non si è verificato alcun guasto improvviso. Non si è verificata alcuna perdita. I tubi si deformavano semplicemente lentamente nel corso di migliaia di ore sotto l'influenza combinata di temperatura, pressione interna del vapore e peso proprio. Si tratta di creep: deformazione permanente dipendente dal tempo-sotto stress costante al di sotto del limite di snervamento a breve-termine del materiale.
A 175 gradi, il PTFE è chimicamente stabile e ben entro la temperatura nominale di servizio continuo di 260 gradi. Ma la stabilità chimica e la stabilità meccanica sono proprietà diverse. La classificazione del materiale non garantisce l'assenza di deformazione da scorrimento per periodi prolungati al limite superiore dell'intervallo di temperatura.
Il meccanismo di creep nel PTFE
Il creep si verifica in tutti i polimeri a temperature elevate. Le catene molecolari, normalmente aggrovigliate e resistenti alla deformazione, acquisiscono energia termica sufficiente per scivolare l'una sull'altra sotto stress applicato. La velocità di scorrimento dipende dalla temperatura, dall'entità dello stress e dal tempo.
In un tubo dello scambiatore di calore in PTFE, la sollecitazione primaria è la sollecitazione circonferenziale dovuta alla pressione interna del vapore. Per tubi con diametro esterno di 10 mm e parete da 1 mm a una pressione interna di 4 barg, la sollecitazione circolare è di circa 2 MPa. A temperatura ambiente, la velocità di scorrimento del PTFE a questo stress è trascurabile. A 175 gradi, la velocità di scorrimento diventa misurabile.
Il tubo è inoltre sottoposto a sollecitazione assiale dovuta all'espansione termica vincolata e alla sollecitazione di flessione dovuta al peso proprio-tra i supporti. Queste sollecitazioni sono minori della sollecitazione circonferenziale ma contribuiscono alla deformazione viscosa totale.
Il creep si manifesta in tre cambiamenti osservabili: allungamento del tubo, assottigliamento delle pareti e riduzione del diametro. L'allungamento si verifica perché la tensione circolare produce una deformazione assiale attraverso l'effetto Poisson. L'assottigliamento delle pareti è il risultato di una deformazione del volume costante-: man mano che il tubo si allunga e si restringe, lo spessore della parete diminuisce per conservare il volume del materiale.
Tabella 1: Deformazione di scorrimento stimata rispetto alla temperatura operativa per tubo in PTFE (diametro esterno 10 mm, parete 1 mm, vapore 4 barg)
| Temperatura operativa (gradi) | Tasso di creep relativo | Spessore della parete dopo 1 anno (mm) | Spessore della parete dopo 3 anni (mm) | Pressione di scoppio dopo 3 anni (bar) | Durata utile consigliata |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Trascurabile | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 anni |
| 120 | Molto basso | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 anni |
| 140 | Basso | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 anni |
| 160 | Moderare | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 anni |
| 180 | Alto | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 anni |
| 200 | Molto alto | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Valori stimati basati sui dati pubblicati sul creep del PTFE e sull'estrapolazione di Arrhenius. Le tariffe effettive dipendono dal grado specifico della resina, dalla cristallinità e dalla storia della lavorazione. Durata utile definita come il tempo necessario per raggiungere il 50% della pressione di scoppio originale.
Modifiche progettuali per il servizio esteso
La riduzione dello stress del telaio prolunga la durata di servizio a una determinata temperatura. Il metodo più semplice è ridurre la pressione del vapore. Operando a 2 bar invece che a 4 bar si dimezza la sollecitazione del cerchio, raddoppiando all'incirca il tempo necessario per raggiungere una determinata deformazione viscosa.
L’aumento dello spessore della parete del tubo fornisce un margine diretto contro l’assottigliamento. Un tubo con parete da 1,5 mm funzionante a 175 gradi raggiunge lo stesso spessore minimo di parete di un tubo da 1,0 mm in circa il doppio del tempo. Lo svantaggio è la riduzione del trasferimento di calore, che richiede proporzionalmente una superficie maggiore.
L'utilizzo di un grado di PTFE con-cristallinità più elevata migliora la resistenza allo scorrimento viscoso. Le formulazioni di PTFE modificato con peso molecolare e cristallinità controllati mostrano tassi di creep inferiori del 30-50% rispetto ai gradi standard alla stessa temperatura e stress. L'incremento del costo del materiale è modesto rispetto all'estensione della vita utile.
Criteri di ispezione e pensionamento
I tubi che funzionano a temperature superiori a 150 gradi devono essere ispezionati annualmente per verificare la deformazione da scorrimento viscoso. Le misurazioni del diametro esterno e dello spessore delle pareti in posizioni rappresentative tengono traccia della progressione del diradamento. Gli spessimetri a ultrasuoni forniscono dati non-distruttivi sullo spessore delle pareti.
I criteri di pensionamento dovrebbero essere stabiliti al momento dell'installazione. Un criterio tipico è la riduzione dello spessore della parete al 60% del valore originale. A questo punto, il fattore di sicurezza della pressione di scoppio viene ridotto da circa 8:1 a 3:1, che rimane adeguato alla pressione operativa ma lascia un margine ridotto per le escursioni di pressione.
I tubi che mostrano una riduzione visibile del diametro o un allungamento superiore al 10% devono essere sostituiti indipendentemente dallo spessore assoluto, poiché la deformazione indica che il materiale ha esaurito gran parte della sua duttilità allo scorrimento viscoso.
Riepilogo
Il funzionamento continuo dello scambiatore di calore in PTFE vicino a 180 gradi produce una deformazione da scorrimento che assottiglia gradualmente le pareti del tubo e riduce i margini di pressione di scoppio. La velocità di deformazione dipende in modo esponenziale dalla temperatura e linearmente dalla sollecitazione del telaio.
La durata di servizio a 175 gradi con gradi di PTFE standard e vapore a 4 bar è di circa 2-4 anni in base all'assottigliamento del creep. La pressione del vapore inferiore, le pareti più spesse e i gradi di PTFE con cristallinità più elevata estendono questo problema in modo significativo. La misurazione annuale dello spessore delle pareti monitora i progressi e supporta le decisioni di pensionamento.
L'analisi ingegneristica per la previsione della durata utile dello scambiatore di calore in PTFE in condizioni operative specifiche è disponibile previa presentazione della cronologia della temperatura operativa, della pressione del vapore, delle dimensioni del tubo, del grado del materiale e di eventuali misurazioni della deformazione esistenti.
