Il diradamento in curva
Il personale addetto alla manutenzione rimuove uno scambiatore di calore in PTFE dopo cinque anni di servizio. La misurazione dello spessore a ultrasuoni rivela che le pareti del tubo rientrano nelle specifiche sulle sezioni diritte, misurando 0,95-1,00 mm rispetto a 1,00 mm originale. Nelle curve, tuttavia, lo spessore della parete esterna misura 0,70-0,75 mm, ovvero una riduzione del 25-30%. La curva è il luogo che limita la vita.
L'assottigliamento delle pareti in corrispondenza delle curve è una conseguenza prevedibile del processo di piegatura combinato con lo scorrimento a lungo termine-a temperature elevate. Durante la piegatura, la parete esterna del tubo si allunga per accogliere la maggiore lunghezza dell'arco attorno all'esterno della curvatura. La parete si assottiglia per conservare il volume. Alla temperatura di esercizio sotto pressione di vapore interno, la parete esterna assottigliata si insinua più velocemente delle sezioni diritte più spesse, riducendo ulteriormente lo spessore nel tempo.
Il raggio di curvatura determina l'assottigliamento iniziale. Le pieghe più strette producono un maggiore assottigliamento. Specificare un raggio di curvatura minimo durante la progettazione impedisce un eccessivo assottigliamento iniziale e limita la successiva velocità di scorrimento a livelli accettabili durante la vita utile.
La relazione tra deformazione di flessione e assottigliamento
Quando un tubo diritto viene piegato, la lunghezza dell'arco esterno supera la lunghezza dell'arco interno. Il materiale all'esterno della piega deve allungarsi; il materiale all'interno si comprime. La deformazione sulla superficie esterna è ε=r / R, dove r è il raggio esterno del tubo e R è il raggio della linea centrale di curvatura.
Lo spessore della parete dopo la piegatura, assumendo una deformazione del volume costante, è approssimativamente t_piegato=t_originale / (1 + ε). Per un tubo con diametro esterno di 10 mm (r=5 mm) piegato con un raggio R=150 mm, la deformazione della fibra esterna è del 5/150=3.33%. Lo spessore della parete in corrispondenza della curvatura esterna si riduce a circa 0,968 mm da 1.000 mm-una riduzione del 3,2%.
Per una piega più stretta a R=100mm, la deformazione è del 5/100=5%. La parete si assottiglia fino a 0,952 mm-una riduzione del 4,8%.
Alla temperatura di esercizio sotto pressione interna, la velocità di scorrimento nella sezione assottigliata è maggiore rispetto alla sezione diritta a tutto-spessore. Il diradamento accelera nel tempo. L'assottigliamento iniziale del 3-5% dovuto alla piegatura può diventare del 15-30% dopo anni di servizio.
Tabella 1: Raggio di curvatura e assottigliamento delle pareti per tubi per scambiatori di calore in PTFE (diametro esterno 10 mm × parete 1 mm)
| Raggio della linea centrale di piegatura (mm) | Rapporto tra raggio-e-diametro (R/D) | Deformazione della fibra esterna (%) | Spessore iniziale della parete alla piegatura (mm) | Muro stimato per 5 anni a 143 gradi (mm) | Idoneità |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 (minimo consigliato) | 25 | 2.0 | 0.980 | 0.90-0.94 | Eccellente (10+ anno di vita) |
| 200 | 20 | 2.5 | 0.975 | 0.85-0.90 | Bene |
| 150 | 15 | 3.33 | 0.968 | 0.78-0.85 | Accettabile con revisione |
| 120 | 12 | 4.17 | 0.960 | 0.70-0.80 | Marginale (ridurre la pressione del vapore) |
| 100 | 10 | 5.0 | 0.952 | 0.60-0.72 | Non consigliato per il servizio a vapore |
| 75 | 7.5 | 6.67 | 0.938 | < 0.60 (high failure risk) | Non accettabile |
L'addizione di ovalizzazione
La piegatura non solo assottiglia la parete esterna ma ovalizza anche la sezione trasversale del tubo-. Il tubo diventa leggermente ellittico in corrispondenza della curvatura, con l'asse minore nel piano della curvatura. L'ovalizzazione concentra lo stress del cerchio dovuto alla pressione interna nei punti di massima curvatura, accelerando ulteriormente lo scorrimento.
Un tubo piegato al raggio minimo consigliato di 25D mantiene l'ovalità inferiore al 5%. Le curve più strette producono una maggiore ovalità. Gli effetti combinati di assottigliamento delle pareti, ovalizzazione e concentrazione delle sollecitazioni rendono la curvatura il punto critico per la determinazione della durata di servizio.
Specifiche di progettazione preventiva
The primary preventive measure is specifying a minimum bend radius of 25 times the tube outer diameter-the same radius recommended for kink prevention. This radius limits initial thinning to 2% and ensures that ovality remains below 5%.
Le pieghe devono essere ispezionate dopo la fabbricazione utilizzando un misuratore passa/non-passa e una misurazione dello spessore a ultrasuoni. Lo spessore minimo della parete in corrispondenza del raggio esterno della curvatura deve essere documentato come linea di base per confronti futuri.
Durante il servizio, le pieghe dovrebbero essere incluse nel programma di misurazione dello spessore ad ultrasuoni. È necessario programmare la sostituzione delle pieghe che mostrano uno spessore della parete inferiore a 0,75 mm per una parete nominale di 1,0 mm.
Riepilogo
L'assottigliamento localizzato della parete nelle curve del tubo dello scambiatore di calore in PTFE è il risultato dello stiramento della parete esterna durante la piegatura, aggravato dallo scorrimento accelerato nella sezione assottigliata a temperatura e pressione di esercizio. Il raggio di curvatura minimo consigliato pari a 25 volte il diametro del tubo limita l'assottigliamento iniziale al 2% e fornisce prestazioni di scorrimento accettabili a lungo termine.
Curve più strette producono un assottigliamento proporzionalmente maggiore e una durata di servizio ridotta. La misurazione dello spessore a ultrasuoni post-fabbricazione e in-servizio in corrispondenza delle piegature fornisce dati quantitativi per le decisioni di sostituzione.
Le specifiche tecniche per la piegatura e l'ispezione dei tubi in PTFE sono disponibili previa presentazione delle dimensioni del tubo, dei raggi di curvatura, della temperatura e della pressione di esercizio e della durata di servizio richiesta.
