La crepa che appare dopo centinaia di cicli
Una bobina di immersione in acciaio inossidabile in un bagno di decapaggio funziona tra 25 gradi e 80 gradi durante il ciclo dei lotti di produzione. Dopo circa 400 cicli termici, in corrispondenza di un cordone di saldatura appare una perdita stenopeica. La bobina ha meno di due anni. Lo spessore del metallo base rimane adeguato. Il cedimento è localizzato esattamente nel giunto saldato.
Questo modello di guasto è comune nei reparti di placcatura, nelle linee di decapaggio e nelle operazioni di macinazione chimica in cui gli scambiatori di calore sono sottoposti a cicli termici ripetuti anziché a un funzionamento-stazionario. Il meccanismo è la fatica termica, concentrata nelle discontinuità metallurgiche create dalla saldatura.
Perché i cordoni di saldatura concentrano lo stress termico
Un cordone di saldatura differisce dal metallo base in tre modi fondamentali. Il metallo d'apporto della saldatura ha una composizione chimica leggermente diversa, creando una coppia galvanica in ambienti corrosivi. La zona-alterata dal calore adiacente alla saldatura presenta una struttura dei grani alterata con duttilità ridotta. La geometria della saldatura crea una concentrazione di sollecitazioni sulla punta della saldatura dove il rinforzo incontra il metallo di base.
Quando una bobina di immersione metallica si riscalda da 25 gradi a 80 gradi, l'espansione termica genera stress di compressione. Dopo il raffreddamento, la tensione si trasforma in trazione. Il giunto saldato, con le sue differenze microstrutturali e la concentrazione geometrica delle sollecitazioni, accumula deformazioni plastiche ad ogni ciclo.
Dopo cicli sufficienti, si formano micro-fessure sulla punta della saldatura. L'ambiente di processo corrosivo accelera la propagazione delle cricche. La fessura alla fine penetra nello spessore della parete e il fluido di processo fuoriesce nella condensa del vapore o viceversa.
Tabella 1: Resistenza alla fatica termica dei metodi di costruzione dello scambiatore di calore
| Metodo di costruzione | Giunti di saldatura presenti | Fattore di concentrazione dello stress | Cicli tipici fino al guasto (ΔT=55 gradi) |
|---|---|---|---|
| Bobina saldata in AISI 316L | Sì (multiplo) | 2,5-3,5 alla punta saldata | 300-800 |
| Bobina saldata in titanio | Sì (multiplo) | 2,0-3,0 sulla punta saldata | 500-1,200 |
| Rame-nichel brasato | Sì (multiplo) | 2,0-2,8 al giunto | 200-600 |
| Tutto-tubo senza saldatura in PTFE | Nessuno | 1.0 (uniforme) | >100.000 (nessuna saldatura che possa guastarsi) |
Fattori di concentrazione delle sollecitazioni dall'analisi degli elementi finiti di tipiche geometrie di bobine di immersione. Dati sulla durata del ciclo provenienti da studi sulla fatica pubblicati e rapporti di guasti sul campo.
Il vantaggio della costruzione interamente-PTFE
Il tubo dello scambiatore di calore in PTFE è prodotto mediante estrusione di pasta, creando lunghezze continue senza giunture. Non ci sono saldature, giunzioni e discontinuità metallurgiche lungo il tubo. Il materiale è omogeneo da un capo all'altro.
L'espansione termica nel PTFE è maggiore rispetto ai metalli, una proprietà generalmente considerata una sfida di progettazione. Tuttavia, la flessibilità del materiale consente questa espansione attraverso la deformazione elastica piuttosto che l’accumulo di stress. Un tubo in PTFE adeguatamente supportato si espande e si contrae liberamente con le variazioni di temperatura. Non si sviluppano concentrazioni di stress localizzate perché non ci sono discontinuità geometriche o metallurgiche.
La resistenza alla fatica del PTFE sotto carico ciclico supera di gran lunga quella dei metalli nell'intervallo di deformazione tipico dell'espansione termica. I tubi in PTFE testati sotto cicli di flessione ripetuti ad ampiezze di deformazione equivalenti all'espansione termica superano regolarmente i 100.000 cicli senza guasti. Nelle normali operazioni di placcatura e decapaggio, ciò si traduce in decenni di servizio senza problemi di fatica termica.
Supporta le questioni di progettazione
Tutta la-costruzione in PTFE elimina i guasti-correlati alla saldatura, ma un'adeguata progettazione del supporto garantisce il raggiungimento dell'intera durata a fatica. I supporti devono consentire il libero movimento assiale dei tubi durante l'espansione e la contrazione termica. Un bloccaggio rigido che limita l'espansione può creare sollecitazioni di flessione localizzate che si concentrano nel punto di bloccaggio.
Gli scambiatori di calore in PTFE sono generalmente supportati da piastre guida scanalate realizzate in PTFE o PVDF solido. Le fessure sono dimensionate con gioco per consentire il movimento assiale mantenendo la spaziatura dei tubi per il trasferimento di calore. Questo metodo di supporto elimina la concentrazione di stress sui giunti-che può verificarsi con i telai di supporto metallici.
Risultati sul campo da un'operazione di decapaggio batch
Una linea di decapaggio dell'acciaio funzionante in batch- con cicli di temperatura compresi tra temperatura ambiente e 75 gradi ha sostituito le serpentine di riscaldamento in titanio saldate che si erano guastate ripetutamente in corrispondenza dei cordoni di saldatura. La durata media della bobina era di 11 mesi, con tutti i guasti riconducibili a cricche originate nelle zone termicamente-influenzate adiacenti alle saldature.
Tutti gli-scambiatori di calore in PTFE sono stati installati con piastre guida in PTFE dimensionate per la libera espansione termica. Dopo quattro anni di identico servizio di cicli termici, le bobine in PTFE non hanno mostrato segni di fessurazione, nessuna perdita e prestazioni di trasferimento di calore stabili. La costruzione senza giunzioni ha eliminato l'unica modalità di guasto che aveva limitato la durata di servizio delle bobine precedenti.
Riepilogo
Gli scambiatori di calore metallici saldati concentrano lo stress da fatica termica sui cordoni di saldatura, dove le differenze microstrutturali e le discontinuità geometriche danno origine alle cricche. Sotto ripetuti cicli termici tipici delle operazioni di placcatura in lotti e decapaggio, queste crepe si propagano in perdite entro centinaia di cicli.
Tutta la-struttura dello scambiatore di calore in PTFE elimina questa modalità di guasto. I tubi estrusi senza saldatura non contengono saldature, discontinuità metallurgiche e siti di concentrazione di stress. La flessibilità del materiale consente l'espansione termica senza accumulare danni da fatica. Una corretta progettazione del supporto garantisce la libertà di movimento, prevenendo la concentrazione dello stress nei punti di supporto.
Per le operazioni batch in cui si verificano guasti allo scambiatore di calore-correlati alla saldatura, è disponibile l'analisi tecnica per tutti i-dimensionamenti delle bobine senza saldatura in PTFE previa presentazione dell'intervallo di temperatura operativa, della frequenza del ciclo, della composizione chimica del bagno e delle dimensioni del serbatoio.
