La scoperta del tubo deformato
Durante un'ispezione annuale di routine, il personale addetto alla manutenzione preleva uno scambiatore di calore in PTFE da un bagno acido concentrato a 150 gradi. Diversi tubi tra le piastre di supporto mostrano cedimenti visibili. Un tubo ha sviluppato una piega vicino a un morsetto di supporto. La bobina si riscalda ancora, ma la deformazione è progressiva-ogni anno l'abbassamento aumenta.
Il PTFE a temperatura elevata non è un materiale rigido. Si ammorbidisce, si insinua sotto carico sostenuto e si espande in modo significativo. Senza un'adeguata spaziatura dei supporti, la combinazione di-peso proprio, espansione termica e pressione del vapore produce una deformazione permanente. I tubi deformati perdono la spaziatura progettata, creando restrizioni di flusso e potenziali punti di contatto in cui le vibrazioni possono causare danni da sfregamento.
Il meccanismo di creep a temperatura elevata
Il creep è una deformazione dipendente dal tempo- sotto carico costante. Per il PTFE a temperature superiori a 100 gradi, il creep diventa misurabile sotto sollecitazioni ben al di sotto del carico di snervamento a breve-termine. Un tubo orizzontale in PTFE supportato solo alle sue estremità subisce sollecitazioni di flessione dovute al proprio peso. Nel corso dei mesi a 140 gradi, questo stress produce un graduale cedimento.
La velocità di scorrimento aumenta esponenzialmente con la temperatura. A 80 gradi, lo scorrimento è trascurabile per i tubi adeguatamente supportati. A 120 gradi, lo scorrimento diventa una considerazione di progettazione. A 150 gradi e oltre, lo scorrimento viscoso domina la progettazione meccanica-la spaziatura dei supporti deve essere sufficientemente vicina da limitare lo stress da flessione a livelli che producano uno scorrimento viscoso accettabile durante la vita di progetto.
L’espansione termica aggrava il problema. Il PTFE si espande di circa 0,12 mm per metro per grado Celsius, circa dieci volte di più dell'acciaio. Un tubo di 2 metri riscaldato da 25 gradi a 140 gradi cresce di quasi 28 mm. Se i supporti limitano questa espansione, si verifica instabilità a compressione. Il tubo si piega lateralmente tra i supporti, creando una deformazione laterale permanente.
Tabella 1: Spaziatura consigliata del supporto del tubo in PTFE rispetto alla temperatura (diametro esterno 10 mm × parete 1 mm, orientamento orizzontale)
| Temperatura operativa (gradi) | Spaziatura massima del supporto - ancora fluido (mm) | Spaziatura massima del supporto - Bagno agitato (mm) | Preoccupazione primaria |
|---|---|---|---|
| 60 | 600 | 500 | Gestione della dilatazione termica |
| 80 | 500 | 400 | Creep modesto, espansione |
| 100 | 400 | 300 | Il creep sta diventando significativo |
| 120 | 300 | 250 | Il creep domina il design |
| 140 | 250 | 200 | Rischio di creep e di instabilità |
| 160 | 200 | 150 | Richiesta la massima cautela |
Spaziature calcolate per limitare la deflessione media-della campata a meno di 3 mm e la sollecitazione di flessione inferiore a 0,5 MPa a temperatura. I bagni agitati richiedono una spaziatura più ravvicinata a causa del carico idrodinamico derivante dal movimento della soluzione.
Supportare i principi di progettazione
Le piastre di supporto per tubi in PTFE devono consentire il movimento assiale evitando lo spostamento laterale. Le guide scanalate realizzate in PTFE o PVDF solido servono a questo scopo. Il tubo scorre liberamente attraverso la fessura durante l'espansione e la contrazione termica, ma le pareti della fessura impediscono cedimenti o piegamenti laterali.
La fessura deve essere leggermente sovradimensionata-da 0,5 a 1,0 mm rispetto al diametro esterno del tubo, per evitare che si inceppi mantenendo il supporto laterale. Le fessure strette limitano il movimento termico, convertendo il supporto in un vincolo che induce deformazione. Le fessure eccessivamente allentate consentono al tubo di vibrare sotto agitazione, causando affaticamento nel punto di contatto del supporto.
I fissaggi terminali richiedono una cura particolare. La connessione dal tubo-al-collettore è in genere un raccordo a compressione. Il tubo deve essere libero di espandersi tra il collettore e il primo supporto. La distanza dalla testata al primo supporto dovrebbe essere la metà della normale spaziatura del supporto per limitare lo stress di flessione durante l'espansione.
Considerazioni sull'orientamento verticale
I tubi verticali subiscono lo scorrimento in modo diverso rispetto ai tubi orizzontali. Il peso proprio-produce uno stress di trazione anziché uno stress di flessione. Lo scorrimento a trazione provoca allungamento e assottigliamento delle pareti anziché cedimenti. La spaziatura dei supporti per i tubi verticali si rivolge alla resistenza alla deformazione e al controllo delle vibrazioni piuttosto che alla deflessione del peso proprio-.
I tubi verticali in PTFE tra i collettori devono essere supportati lateralmente a intervalli che non superino la distanza dei tubi orizzontali alla stessa temperatura. I supporti prevengono la deformazione di Eulero sotto carichi termici di compressione e limitano l'ampiezza delle vibrazioni derivanti dal flusso del fluido.
Riepilogo
La deformazione del tubo dello scambiatore di calore in PTFE ad alte temperature è il risultato dello scorrimento sotto il peso proprio-e dell'instabilità dovuta all'espansione termica limitata. La corretta spaziatura dei supporti limita lo stress da flessione a livelli che producono uno scorrimento accettabile per tutta la durata dell'apparecchiatura.
La spaziatura dei supporti diminuisce all'aumentare della temperatura operativa, da 600 mm a 60 gradi a 200 mm a 160 gradi per tubi con diametro esterno di 10 mm. I supporti guida scanalati consentono il libero movimento termico assiale prevenendo lo spostamento laterale. La distanza dall'intestazione-al-primo-supporto richiede una spaziatura dimezzata per gestire lo stress di espansione.
L'analisi ingegneristica per la spaziatura del supporto del tubo in PTFE in condizioni operative specifiche è disponibile previa presentazione del diametro del tubo, dello spessore della parete, dell'orientamento, della temperatura operativa, dell'intensità dell'agitazione del fluido e dei requisiti di durata di servizio del progetto.
