Die Ausdünnung an der Biegung
Wartungspersonal entfernt einen PTFE-Wärmetauscher nach fünf Betriebsjahren. Die Ultraschalldickenmessung zeigt, dass die Rohrwände auf geraden Abschnitten innerhalb der Spezifikation liegen und 0,95 - 1,00 mm gegenüber 1,00 mm im Original betragen. An den Biegungen beträgt die Außenwandstärke jedoch 0,70-0,75 mm – eine Reduzierung um 25–30 %. Die Biegung ist die lebensbegrenzende Stelle.
Die Wandverdünnung an Biegungen ist eine vorhersehbare Folge des Biegeprozesses in Kombination mit langfristigem Kriechen bei erhöhter Temperatur. Beim Biegen dehnt sich die Außenwand des Rohrs, um der längeren Bogenlänge an der Außenseite der Biegung Rechnung zu tragen. Die Wand wird dünner, um Volumen zu sparen. Bei Betriebstemperatur und innerem Dampfdruck kriecht die dünnere Außenwand schneller als die dickeren geraden Abschnitte, wodurch sich die Dicke mit der Zeit weiter verringert.
Der Biegeradius bestimmt die anfängliche Ausdünnung. Engere Biegungen führen zu einer stärkeren Ausdünnung. Durch die Festlegung eines Mindestbiegeradius während der Konstruktion wird eine übermäßige anfängliche Ausdünnung verhindert und die anschließende Kriechrate über die Lebensdauer auf ein akzeptables Niveau begrenzt.
Die Beziehung zwischen Biegespannung und Ausdünnung
Wenn ein gerades Rohr gebogen wird, übersteigt die äußere Bogenlänge die innere Bogenlänge. Das Material an der Außenseite der Biegung muss sich dehnen; Das Material im Inneren wird komprimiert. Die Dehnung an der Außenfläche beträgt ε=r / R, wobei r der Rohraußenradius und R der Biegemittellinienradius ist.
Die Wandstärke nach dem Biegen beträgt unter Annahme einer konstanten Volumenverformung ungefähr t_bent=t_original / (1 + ε). Bei einem Rohr mit 10 mm Außendurchmesser (r=5mm), das auf einen Radius R=150mm gebogen ist, beträgt die äußere Faserdehnung 5/150=3.33 %. Die Wandstärke an der Außenbiegung verringert sich von 1.000 mm auf etwa 0,968 mm-eine Reduzierung um 3,2 %.
Für eine engere Biegung bei R=100mm beträgt die Dehnung 5/100=5 %. Die Wand wird auf 0,952 mm dünner-, was einer Reduzierung um 4,8 % entspricht.
Bei Betriebstemperatur und Innendruck ist die Kriechgeschwindigkeit im verdünnten Abschnitt höher als im geraden Abschnitt voller -Dicke. Die Ausdünnung beschleunigt sich mit der Zeit. Die anfängliche Ausdünnung von 3–5 % durch Biegen kann nach Jahren des Betriebs zu einer Ausdünnung von 15–30 % werden.
Tabelle 1: Biegeradius und Wandverdünnung für PTFE-Wärmetauscherrohre (10 mm Außendurchmesser × 1 mm Wand)
| Biegemittellinienradius (mm) | Verhältnis von Radius-zu-Durchmesser (R/D) | Äußere Faserdehnung (%) | Anfangswandstärke beim Biegen (mm) | Geschätzte 5-Jahres-Mauer bei 143 Grad (mm) | Eignung |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 (empfohlenes Minimum) | 25 | 2.0 | 0.980 | 0.90-0.94 | Ausgezeichnet (10+ Jahre Lebensdauer) |
| 200 | 20 | 2.5 | 0.975 | 0.85-0.90 | Gut |
| 150 | 15 | 3.33 | 0.968 | 0.78-0.85 | Mit Inspektion akzeptabel |
| 120 | 12 | 4.17 | 0.960 | 0.70-0.80 | Marginal (Dampfdruck reduzieren) |
| 100 | 10 | 5.0 | 0.952 | 0.60-0.72 | Nicht für den Dampfbetrieb empfohlen |
| 75 | 7.5 | 6.67 | 0.938 | < 0.60 (high failure risk) | Nicht akzeptabel |
Die Ovalisierungsaddition
Durch das Biegen wird nicht nur die Außenwand dünner, sondern auch der Rohrquerschnitt ovalisiert. Das Rohr wird an der Biegung leicht elliptisch, wobei die Nebenachse in der Ebene der Biegung liegt. Die Ovalität konzentriert die Ringspannung durch den Innendruck an den Punkten maximaler Krümmung und beschleunigt so das Kriechen weiter.
Ein auf den empfohlenen Mindestradius von 25D gebogenes Rohr hält die Ovalität unter 5 %. Engere Biegungen erzeugen eine größere Ovalität. Die kombinierten Auswirkungen von Wandverdünnung, Ovalität und Spannungskonzentration machen die Biegung zum kritischen Ort für die Bestimmung der Lebensdauer.
Präventive Designspezifikationen
Die primäre vorbeugende Maßnahme besteht darin, einen minimalen Biegeradius festzulegen, der dem 25-fachen des Rohraußendurchmessers entspricht-dem gleichen Radius, der zur Vermeidung von Knicken empfohlen wird. Dieser Radius begrenzt die anfängliche Ausdünnung auf 2 % und stellt sicher, dass die Ovalität unter 5 % bleibt.
Biegungen sollten nach der Herstellung mit einem Gut/Schlecht-Messgerät und einer Ultraschalldickenmessung überprüft werden. Die Mindestwandstärke am Biegeaußenradius sollte als Basis für zukünftige Vergleiche dokumentiert werden.
Im Servicefall sollten Biegungen in das Ultraschall-Dickenmessprogramm einbezogen werden. Biegungen mit einer Wandstärke von weniger als 0,75 mm bei einer Nennwandstärke von 1,0 mm sollten zum Austausch eingeplant werden.
Zusammenfassung
Lokale Wandverdünnungen an PTFE-Wärmetauscherrohrbögen resultieren aus der Dehnung der Außenwand beim Biegen, verstärkt durch beschleunigtes Kriechen am verdünnten Abschnitt unter Betriebstemperatur und -druck. Der empfohlene Mindestbiegeradius von 25-fachem Rohrdurchmesser begrenzt die anfängliche Verdünnung auf 2 % und sorgt für eine akzeptable langfristige Kriechleistung.
Engere Biegungen führen zu einer proportional größeren Ausdünnung und einer kürzeren Lebensdauer. Die Ultraschalldickenmessung an Biegungen nach-der Fertigung und im-Betrieb liefert quantitative Daten für Entscheidungen zum Austausch.
Technische Spezifikationen für das Biegen und Prüfen von PTFE-Rohren sind nach Vorlage der Rohrabmessungen, Biegeradien, Betriebstemperatur und -druck sowie der erforderlichen Lebensdauer verfügbar.
