چگونه فشار در یک مبدل PTFE با گذشت زمان به دلیل خزش تغییر می کند؟

مبدل حرارتی که به طور قابل اعتمادی افت فشار یکسانی را برای چندین سال ارائه کرده است، ممکن است در نهایت شروع به نمایش خوانش‌های دیفرانسیل کمی بالاتر کند. لوله ها غالباً توسط کثیفی یا شیمیایی آلوده نمی شوند. در عوض، شکل لوله های PTFE به آرامی در طول زمان تغییر کرده است. سوراخ لوله در نزدیکی اتصال ورق لوله به تدریج مانند یک دریچه آهسته بسته می شود زیرا PTFE یک ماده ویسکوالاستیک است و تحت فشار مکانیکی طولانی مدت خزش می کند.

این تغییر ابعاد جزئی به ندرت دیدنی است، اما می تواند پیامدهای هیدرولیکی قابل تشخیص را در فواصل زمانی طولانی مدت ایجاد کند. در مبدل‌های حرارتی لوله PTFE که در فرآیندهای شیمیایی خورنده به کار می‌روند، این پدیده به جای یک حالت خرابی پیش‌بینی نشده، بخش قابل پیش‌بینی- پیری مکانیکی طولانی‌مدت است.

طراحی قابل اعتماد مبدل و پمپ نیاز به درک ارتباط بین عملکرد سیستم هیدرولیک و تغییر افت فشار مبدل PTFE با خزش زمان دارد.

درک خزش PTFE
PTFE به طور متفاوتی با فلزات تحت بار پایدار واکنش نشان می دهد. این ماده به مرور زمان به جای اینکه از نظر ابعادی در زیر کشش مداوم ثابت بماند تغییر شکل می‌دهد.

این عادت به خزش معروف است.

چه چیزی باعث خزش می شود؟
خزش زمانی اتفاق می‌افتد که زنجیره‌های پلیمری به تدریج تحت تنش یا کرنش مکانیکی طولانی‌مدت سازمان‌دهی مجدد می‌شوند. برخلاف تغییر شکل الاستیک، که با حذف نیرو فوراً از بین می‌رود، خزش به طور پیوسته در طول هزاران ساعت دویدن توسعه می‌یابد.

در مبدل های حرارتی PTFE، بیشترین تنش های فشاری پایدار اغلب در جایی که لوله ها از مجموعه صفحات لوله عبور می کنند، یافت می شود.

لوله‌ها با حرکت آهسته-فشرده می‌شوند.

فرول‌ها، حلقه‌های فشاری یا سیستم‌های واشر فشار ثابتی را در این نقاط اعمال می‌کنند تا یک مهر و موم غیر قابل نفوذ بین لوله و صفحه لوله ایجاد کنند. با گذشت زمان، مواد دیوار PTFE به آرامی تحت این بار جریان می یابد.

محدودیت حفره لوله چگونه توسعه می یابد
تغییر شکل موضعی در Tubesheet
ناحیه اطراف مفصل فشرده جایی است که فرآیند خزش بیشترین تمرکز را دارد.

با تغییر شکل PTFE، بخش کوچکی از دیواره لوله به تدریج به داخل جریان جریان اکسترود می شود. این باعث کاهش قطر داخلی موثر لوله در نقطه اتصال می شود.

حتی یک کاهش جزئی سوراخ، مقاومت جریان را افزایش می دهد، حتی اگر تغییر ابعاد اغلب حداقل باشد.

این محدودیت مشابه یک نقطه دریچه گاز نصب شده دائمی در هر لوله عمل می کند.

پیامدهای{0}درازمدت هیدرولیک
با کاهش قطر داخلی، افت فشار جانبی لوله{0}}به تدریج افزایش می‌یابد.

این افزایش به طور کلی به شرح زیر است:

کند

دائمی

قابل پیش بینی

غیر قابل بازیابی

بر خلاف رسوب ناشی از رسوب یا پوسته پوسته شدن، محدودیت را نمی توان به صورت مکانیکی یا شیمیایی حذف کرد زیرا از تغییر شکل فیزیکی مواد منشأ می گیرد.

پدیده برگشت ناپذیر است.

چرا تأثیر معمولاً کم است؟
در اکثر مبدل‌های PTFE که به خوبی طراحی شده‌اند، افزایش افت فشار نسبتاً کم باقی می‌ماند.

افزایش‌های معمولی درازمدت ممکن است طی چندین سال کارکرد تنها به چند درصد برسد. با این حال، در برخی شرایط، اثر آشکارتر است:

طول لوله بلند

سرعت جریان بالا

قطر لوله که کوچک است

دمای عملیاتی بالا

سیستم‌های{0}فشار بالا

تنش های فشاری روی صفحات لوله محکم

حتی کاهش های جزئی سوراخ در این سیستم ها می تواند منجر به جریمه هیدرولیکی قابل اندازه گیری شود.

به همین دلیل، به جای اینکه به عنوان یک مشکل عملیاتی پیش بینی نشده در نظر گرفته شود، تغییر افت فشار مبدل PTFE با خزش زمان اغلب از مرحله طراحی اولیه هیدرولیک در نظر گرفته می شود.

تأثیر دما بر میزان خزش
دمای بالاتر تغییر شکل را تسریع می کند
رفتار خزش PTFE تا حد زیادی تحت تأثیر موارد زیر است:

درجه استرس

درجه حرارت

زمان تحت بار

فرآیند خزش با افزایش قابل توجه تحرک مولکولی در دماهای بالا تسریع می شود.

در 100 درجه، خزش به طور قابل توجهی سریعتر از دمای محیط پیشرفت می کند.

این وابستگی به دما به ویژه در مبدل های پردازش شیمیایی که اسیدهای گرم شده، قلیایی ها یا جریان های حلال را مدیریت می کنند مرتبط است.

سیستمی که به طور مداوم در دمای بالا کار می‌کند، ممکن است بیشتر-تغییرات ابعادی طولانی‌مدت خود را در چند سال اول خدمات مشاهده کند.

اشباع و کاهش استرس
اثر خزش تا ابد با همان سرعت گسترش نمی یابد.

با تغییر شکل PTFE، فشارهای داخلی به تدریج کاهش می یابد. تغییرات ابعادی به تدریج در طول زمان در نتیجه کاهش استرس کاهش می یابد، که سرعت خزش را کاهش می دهد.

در نهایت، سیستم به یک وضعیت شبه{0}پایدار نزدیک می‌شود که در آن تغییر شکل بیشتر ناچیز می‌شود.

این پدیده معمولاً به عنوان اشباع خزشی تعریف می شود.

ملاحظات طراحی هیدرولیک
اجازه دادن حاشیه در اندازه پمپ
افزایش فشار مربوط به خزش معمولاً ممکن است در طول طراحی اولیه سیستم برطرف شود زیرا قابل پیش بینی است.

هنگام انتخاب پمپ های گردشی برای سیستم های مبدل PTFE، یک بافر فشار اضافی کوچک اغلب در نظر گرفته می شود.

این کمک هزینه طراحی کمک می کند تا تضمین شود که نرخ جریان مشخص شده حتی پس از سال ها کار نیز امکان پذیر است.

بدون این شکاف، مقاومت هیدرولیکی ممکن است به تدریج افزایش یابد و باعث کاهش{0}دراز مدت جریان شود.

نظارت بر روند فشار
پایش فشار تفاضلی در سراسر مبدل بینش حیاتی در مورد عملکرد سیستم-درازمدت ارائه می‌کند.

افزایش ثابت و پایدار در طی چندین سال ممکن است به جای آلودگی یا رسوب، محدودیت‌های مرتبط با خزش{0}}طبیعی را نشان دهد.

تجزیه و تحلیل روند به تمایز بین موارد زیر کمک می کند:

پیری مکانیکی تدریجی

حوادث ناخوشایند ناگهانی

خراب شدن پمپ

شرایط انسداد جزئی

درک این تمایز، عملیات تمیز کردن یا جداسازی غیر ضروری را حذف می کند.

کاهش خزش در مفصل لوله شیت
افزایش سطح باربری
تنش وارد شده به PTFE را می توان با توزیع نیروی فشار بر روی سطح تماس بیشتر به حداقل رساند.

فرول هایی با نواحی باربری بیشتر تنش فشاری موضعی را کاهش می دهند و تمایل به جریان مواد به داخل را کاهش می دهند.

سرعت خزش به طور مستقیم با استرس کمتر کاهش می یابد.

استفاده از سیستم‌های آب‌بندی بارگذاری شده بهار{{0}
راه‌حل‌های آب‌بندی با فنر-یا سازگار به حفظ نیروی آب‌بندی کمک می‌کنند و در عین حال فشرده‌سازی سفت بیش از حد را محدود می‌کنند.

در مقایسه با راه حل های گیره کاملا سفت و سخت، این سیستم ها بهتر می توانند تغییرات ابعادی پیشرونده را مدیریت کنند.

مزایا عبارتند از:

کاهش تمرکز استرس موضعی

افزایش پایداری مهر و موم

تغییر شکل حفره‌های بلندمدت- را کاهش دهید

سازگاری بهتر با چرخه حرارتی

انقباض طولانی‌مدت لوله معمولاً با روش‌های آب‌بندی نرم‌تر کمتر است.

مقایسه PTFE با لوله های مبدل فلزی
لوله های مبدل فلزی به طور معمول خزش کمی را در دمای فرآیند شیمیایی معمولی نشان می دهند. PTFE به دلیل ساختار پلیمری خود رفتار متفاوتی دارد.

با این حال، PTFE مزایایی را ارائه می دهد که فلزات به راحتی نمی توانند مطابقت داشته باشند:

بی اثری شیمیایی برتر

مقاومت در برابر اسیدهای تهاجمی

سطوح غیر آلوده-

مقاومت فوق العاده در برابر خوردگی

مزیت-این است که PTFE حاوی مشخصات پیری مکانیکی پیچیده تری است.

طراحان باید هم سازگاری شیمیایی و هم رفتار مکانیکی بلند مدت را به طور همزمان در نظر بگیرند.

پیامدهای عملیاتی در طول چندین دهه خدمات
مبدل‌های PTFE با طراحی خوب اغلب برای چندین دهه در موقعیت‌های خورنده شدید که سیستم‌های فلزی به زودی می‌شکنند، کار می‌کنند.

به ندرت افزایش آهسته فشار ناشی از خزش یک محدودیت فاجعه بار است. بلکه به عنوان یک تغییر تدریجی و قابل کنترل در عملکرد هیدرولیک در طول زمان عمل می کند.

مدت‌ها پس از تثبیت خزش، مبدل در بسیاری از سیستم‌ها هنوز نیازهای فرآیند را برآورده می‌کند.

شرط کلیدی این است که طراحی اصلی سیستم پیامد را پیش بینی کند.

در نتیجه
در طول زمان کار طولانی، خزش PTFE، یک فرآیند پیری مکانیکی شناخته شده و قابل کنترل، می تواند به تدریج کاهش فشار مبدل را افزایش دهد. فشرده سازی پایدار در محل اتصال ورق لوله به آرامی دیواره لوله PTFE را به سمت داخل تغییر شکل می دهد، قطر سوراخ لوله را اندکی کاهش می دهد و باعث افزایش دائمی مقاومت هیدرولیکی می شود.

اگرچه این اثر اغلب حداقل است، رابطه بین تغییر افت فشار مبدل PTFE با خزش زمان باید در طول طراحی اولیه هیدرولیک، به‌ویژه در کاربردهای-در حرارت بالا یا لوله‌های طولانی{1} در نظر گرفته شود. اندازه مناسب پمپ، افزایش فرول‌های باربری-و سیستم‌های آب‌بندی فنر-به حداقل رساندن تغییرات عملکرد بلندمدت-و حفظ نرخ جریان طراحی در طول دهه‌های خدمت کمک می‌کند.

حتی بی اثرترین مواد شیمیایی در نهایت دارای یک روایت مکانیکی از زندگی است که تحت تأثیر استرس، دما و زمان است.