Die Entdeckung der deformierten Röhre
Bei einer routinemäßigen jährlichen Inspektion nimmt das Wartungspersonal einen PTFE-Wärmetauscher aus einem 150 Grad warmen konzentrierten Säurebad. Mehrere Rohre zwischen den Stützplatten weisen sichtbare Durchbiegungen auf. Ein Schlauch hat in der Nähe einer Stützklemme einen Knick entwickelt. Die Spule erwärmt sich immer noch, aber die Verformung nimmt zu. -Jedes Jahr nimmt der Durchhang zu.
PTFE ist bei erhöhter Temperatur kein starres Material. Es wird weicher, kriecht bei Dauerbelastung und dehnt sich deutlich aus. Ohne den richtigen Stützabstand führt die Kombination aus Eigengewicht, Wärmeausdehnung und Dampfdruck zu einer dauerhaften Verformung. Die verformten Rohre verlieren ihren vorgesehenen Abstand, wodurch Strömungseinschränkungen und potenzielle Kontaktpunkte entstehen, an denen Vibrationen Schäden durch Reibverschleiß verursachen können.
Der Kriechmechanismus bei erhöhter Temperatur
Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung unter konstanter Belastung. Bei PTFE wird bei Temperaturen über 100 Grad das Kriechen bei Spannungen deutlich unterhalb der kurzfristigen Streckgrenze messbar. Ein horizontaler PTFE-Schlauch, der nur an seinen Enden abgestützt ist, erfährt durch sein Eigengewicht eine Biegebeanspruchung. Über Monate hinweg führt diese Belastung bei 140 Grad zu einem allmählichen Erschlaffen.
Die Kriechgeschwindigkeit steigt exponentiell mit der Temperatur. Bei 80 Grad ist das Kriechen bei ordnungsgemäß unterstützten Rohren vernachlässigbar. Bei 120 Grad wird das Kriechen zu einem Konstruktionsaspekt. Bei 150 Grad und mehr dominiert das Kriechen das mechanische Design. -Der Stützabstand muss eng genug sein, um die Biegespannung auf Werte zu begrenzen, die über die Lebensdauer des Designs ein akzeptables Kriechen erzeugen.
Die thermische Ausdehnung verschärft das Problem. PTFE dehnt sich um etwa 0,12 mm pro Meter und Grad Celsius aus, etwa zehnmal mehr als Stahl. Ein 2 Meter langes Rohr, das von 25 auf 140 Grad erhitzt wird, wächst um fast 28 mm. Wenn Stützen diese Ausdehnung einschränken, kommt es zu Druckknicken. Das Rohr biegt sich zwischen den Stützen seitlich durch, wodurch eine dauerhafte seitliche Verformung entsteht.
Tabelle 1: Empfohlener Abstand der PTFE-Rohrhalterungen im Vergleich zur Temperatur (10 mm Außendurchmesser × 1 mm Wand, horizontale Ausrichtung)
| Betriebstemperatur (Grad) | Max. Stützabstand - Noch flüssig (mm) | Max. Stützabstand - Rührbad (mm) | Hauptanliegen |
|---|---|---|---|
| 60 | 600 | 500 | Wärmeausdehnungsmanagement |
| 80 | 500 | 400 | Bescheidenes Kriechen, Erweiterung |
| 100 | 400 | 300 | Kriechen wird bedeutsam |
| 120 | 300 | 250 | Kriech dominiert das Design |
| 140 | 250 | 200 | Kriech- und Knickgefahr |
| 160 | 200 | 150 | Höchste Vorsicht geboten |
Die Abstände sind so berechnet, dass die Durchbiegung in der Mitte der Spannweite auf weniger als 3 mm und die Biegespannung bei Temperatur unter 0,5 MPa begrenzt werden. Rührbäder erfordern aufgrund der hydrodynamischen Belastung durch die Lösungsbewegung einen geringeren Abstand.
Unterstützen Sie Designprinzipien
Stützplatten für PTFE-Schläuche müssen eine axiale Bewegung ermöglichen und gleichzeitig eine seitliche Verschiebung verhindern. Hierzu dienen Schlitzführungen aus massivem PTFE oder PVDF. Das Rohr gleitet während der thermischen Ausdehnung und Kontraktion frei durch den Schlitz, aber die Schlitzwände verhindern ein Durchhängen oder seitliches Durchbiegen.
Der Schlitz sollte leicht überdimensioniert sein -0,5 bis 1,0 mm größer als der Außendurchmesser des Rohrs, um ein Festklemmen zu verhindern und gleichzeitig den seitlichen Halt aufrechtzuerhalten. Enge Schlitze schränken die thermische Bewegung ein und verwandeln die Stütze in eine Einschränkung, die ein Knicken hervorruft. Zu lockere Schlitze führen dazu, dass das Rohr unter Bewegung vibriert, was zu Ermüdungserscheinungen am Auflagerkontaktpunkt führt.
Endbefestigungen erfordern besondere Sorgfalt. Bei der Verbindung zwischen Rohr- und -Kopfstück handelt es sich in der Regel um eine Klemmverschraubung. Das Rohr muss sich zwischen dem Sammelrohr und der ersten Stütze frei ausdehnen können. Der Abstand vom Kopf zur ersten Stütze sollte die Hälfte des normalen Stützenabstands betragen, um die Biegespannung während der Ausdehnung zu begrenzen.
Überlegungen zur vertikalen Ausrichtung
Bei vertikalen Rohren tritt Kriechen anders auf als bei horizontalen Rohren. Das Eigengewicht erzeugt eher eine Zugspannung als eine Biegespannung. Zugkriechen führt eher zu einer Dehnung und Wandverdünnung als zu einem Durchhängen. Der Stützabstand für vertikale Rohre dient eher der Knickfestigkeit und der Vibrationskontrolle als der Eigengewichtsverformung.
Vertikale PTFE-Rohre zwischen Sammelrohren sollten seitlich in Abständen abgestützt werden, die den Abstand horizontaler Rohre bei gleicher Temperatur nicht überschreiten. Die Stützen verhindern ein Euler-Knicken unter thermischen Druckbelastungen und begrenzen die Schwingungsamplitude des Flüssigkeitsflusses.
Zusammenfassung
Die Verformung von PTFE-Wärmetauscherrohren bei hohen Temperaturen resultiert aus Kriechen unter Eigengewicht und Knicken aufgrund eingeschränkter Wärmeausdehnung. Durch den richtigen Stützabstand wird die Biegespannung auf ein Niveau begrenzt, das über die Lebensdauer der Anlage ein akzeptables Kriechen erzeugt.
Mit steigender Betriebstemperatur nimmt der Stützabstand ab, von 600 mm bei 60 Grad auf 200 mm bei 160 Grad für Rohre mit 10 mm Außendurchmesser. Schlitzführungsstützen ermöglichen eine freie axiale thermische Bewegung und verhindern gleichzeitig eine seitliche Verschiebung. Der Abstand zwischen Kopfstück-zur-ersten-Stütze erfordert einen halbierten Abstand, um die Ausdehnungsspannung zu bewältigen.
Eine technische Analyse für den Abstand der PTFE-Rohrhalterungen unter bestimmten Betriebsbedingungen ist nach Übermittlung von Rohrdurchmesser, Wandstärke, Ausrichtung, Betriebstemperatur, Intensität der Flüssigkeitsbewegung und Anforderungen an die Designlebensdauer verfügbar.
