ความเหนื่อยล้าของท่อที่ไม่สามารถอธิบายได้
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE ในวงจรหมุนเวียนแบบปั๊มจะเกิดการรั่วที่การเชื่อมต่อท่อ-ถึง-ส่วนหัวหลังจากใช้งานไป 18 เดือน เคมีเป็นพิษเป็นภัย อุณหภูมิอยู่ในระดับปานกลาง แรงกดดันอยู่ภายในขีดจำกัดการออกแบบ แต่ท่อยังแสดงสัญญาณของการแตกร้าวเมื่อยล้าที่จุดรองรับและข้อต่อส่วนหัว
สาเหตุที่แท้จริงคือการสั่นสะเทือน ท่อ PTFE มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบา ความยืดหยุ่นนี้เป็นข้อดีสำหรับการรองรับการขยายตัวเนื่องจากความร้อนและการต้านทานแรงกระแทก แต่ยังทำให้ท่อไวต่อการไหล-จากแรงสั่นสะเทือนอีกด้วย เมื่อของไหลไหลผ่านมัดท่อด้วยความเร็วหนึ่ง มันจะสร้างแรงสั่นที่กระตุ้นการเคลื่อนที่ของท่อ การสั่นสะเทือนนี้สร้างความเสียหายเมื่อยล้าที่จุดรวมความเครียดมากกว่าล้านรอบ
กลไกการสั่นสะเทือนที่เหนี่ยวนำให้เกิดการไหล-
กลไกหลักสองประการกระตุ้นการสั่นสะเทือนในชุดท่อแลกเปลี่ยนความร้อน การไหลของกระแสน้ำวนเกิดขึ้นเมื่อของไหลไหลผ่านท่อ ทำให้เกิดกระแสน้ำวนสลับกันเมื่อตื่น กระแสน้ำวนเหล่านี้จะแยกออกที่ความถี่ตามสัดส่วนของความเร็วการไหลหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ เมื่อความถี่ส่องเข้าใกล้ความถี่ธรรมชาติของหลอด เสียงสะท้อนจะเกิดขึ้น ท่อสั่นสะเทือนด้วยแอมพลิจูดขนาดใหญ่
การกระตุ้นความปั่นป่วนเป็นการบังคับแบบสุ่มจากความผันผวนของแรงดันวุ่นวายในการไหลเชี่ยว มันไม่ได้สร้างเสียงสะท้อนสูงสุดของการหลุดของกระแสน้ำวน แต่สร้างการสั่นสะเทือนในวงกว้าง-ที่สะสมความเสียหายจากความเมื่อยล้าเมื่อเวลาผ่านไป การกระตุ้นจากความปั่นป่วนครอบงำในกลุ่มท่อที่มีระยะห่างใกล้เคียงกัน โดยที่การไหลของกระแสน้ำวนจะถูกระงับโดยท่อที่อยู่ติดกัน
ความถี่ธรรมชาติของท่อขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลาง ความหนาของผนัง โมดูลัสของวัสดุ ความยาวช่วงที่ไม่ได้รับการสนับสนุน และมวลของของไหลภายในและภายนอกท่อ ท่อ PTFE มีความถี่ธรรมชาติต่ำกว่าท่อโลหะที่เทียบเท่ากัน เนื่องจากมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่า ซึ่งทำให้พวกเขาเข้าใกล้ช่วงความถี่ของการกระตุ้นที่เหนี่ยวนำให้เกิดกระแส-มากขึ้น
ตารางที่ 1: การประเมินความเสี่ยงในการสั่นสะเทือนตามสภาพการไหลและระยะห่างที่รองรับท่อ (ท่อ PTFE OD 10 มม.)
| ความเร็วการไหลข้าม (m/s) | รองรับระยะห่าง 300 มม | รองรับระยะห่าง 400 มม | รองรับระยะห่าง 500 มม | จำเป็นต้องมีการบรรเทาผลกระทบ |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | ความเสี่ยงต่ำ | ความเสี่ยงต่ำ | ความเสี่ยงปานกลาง | ไม่มีขั้นต่ำ |
| 0.5 | ความเสี่ยงต่ำ | ความเสี่ยงปานกลาง | มีความเสี่ยงสูง | แนะนำเครื่องหนีบผม Flow |
| 0.8 | ความเสี่ยงปานกลาง | มีความเสี่ยงสูง | มีความเสี่ยงสูงมาก | การปรับสภาพการไหล + ระยะห่างที่ลดลง |
| 1.2 | มีความเสี่ยงสูง | มีความเสี่ยงสูงมาก | ความเสี่ยงที่สำคัญ | จำเป็นต้องออกแบบใหม่ |
| 1.5 | มีความเสี่ยงสูงมาก | วิกฤต | วิกฤต | ไม่แนะนำหากไม่มีการบรรเทาผลกระทบอย่างกว้างขวาง |
ระดับความเสี่ยงขึ้นอยู่กับความถี่การไหลของน้ำวนที่สัมพันธ์กับความถี่ธรรมชาติของท่อที่คำนวณได้สำหรับ PTFE ที่มีผนัง 1.0 มม. ความหนาแน่นของของไหล 1,100 กก./ลบ.ม. ความเสี่ยงที่แท้จริงขึ้นอยู่กับรูปทรงเฉพาะและการกระจายการไหล
โซลูชันการปรับสภาพการไหลเข้า
การลดแรงสั่นสะเทือนที่มีประสิทธิผลมากที่สุดคือการป้องกันสิ่งรบกวนการไหลที่แหล่งกำเนิด การไหลเข้าสู่มัดท่อควรมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอและปราศจากความปั่นป่วนขนาดใหญ่- แผงกั้นทางเข้าหรือส่วนหัวการกระจายที่ขยายการไหลที่เข้ามาอย่างราบรื่นจะช่วยลดความเร็วในพื้นที่และแยกกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ก่อนที่จะถึงท่อ
แผ่นกระจายแบบมีรูที่วางอยู่ระหว่างหัวฉีดทางเข้าและมัดท่อจะสม่ำเสมอตามโปรไฟล์ความเร็ว แผ่นสร้างแรงดันตกคร่อมสม่ำเสมอซึ่งกระจายการไหลผ่านหน้าตัดของมัด- แรงดันตกคร่อมแผ่นควรมีอย่างน้อย 1.5 เท่าของแรงดันไดนามิกของการไหลที่เข้ามาจึงจะมีประสิทธิภาพ
การยืดใบพัดภายในหัวฉีดหรือท่อทางเข้าช่วยลดการหมุนวนและความปั่นป่วนขนาดใหญ่-จากส่วนประกอบท่อต้นทาง การไหลของปั๊มที่ไหลออกเป็นปัญหาอย่างยิ่ง-ใบพัดจะส่งทั้งการหมุนวนและจังหวะเป็นจังหวะตามความถี่ของใบพัด เครื่องยืดการไหลที่ติดตั้งท่อขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-10 เส้นบริเวณต้นน้ำของทางเข้าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนจะทำให้โครงสร้างเหล่านี้แตกสลาย
รองรับการปรับเปลี่ยนสำหรับการติดตั้งที่มีอยู่
เมื่อการปรับสภาพการไหลเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ ส่วนรองรับท่อเพิ่มเติมจะลดช่วงที่ไม่ได้รับการสนับสนุนและเพิ่มความถี่ธรรมชาติให้สูงกว่าช่วงการกระตุ้น แผ่นรองรับระดับกลางที่เพิ่มระหว่างส่วนรองรับที่มีอยู่จะช่วยลดความยาวช่วงลงครึ่งหนึ่งและสามารถเพิ่มความถี่ธรรมชาติได้สี่เท่า
สามารถเพิ่มการหน่วงได้โดยการปรับเปลี่ยนการออกแบบส่วนรองรับ ส่วนรองรับระยะห่าง-แน่นหนาที่ยอมให้มีการเลื่อนเนื่องจากความร้อนแต่ป้องกันการเคลื่อนที่ด้านข้าง แปลงท่อ-เป็น-รองรับผลกระทบในการกระจายพลังงาน ท่อยังคงสามารถขยายในแนวแกนได้ แต่ไม่สามารถสร้างแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนขนาดใหญ่ได้
สำหรับการติดตั้งใหม่ การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนควรเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการออกแบบ สภาวะการไหลที่คาดหวังจะเป็นตัวกำหนดช่วงสูงสุดที่ไม่ได้รับการสนับสนุน ช่วงนี้จะกำหนดระยะห่างของแผ่นรองรับ การออกแบบเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าการติดตั้งเพิ่มเติมหลังจากเกิดความเสียหายจากความเมื่อยล้า
สรุป
ความเสียหายจากการสั่นของท่อแลกเปลี่ยนความร้อนของ PTFE เป็นผลมาจากกลไกการกระตุ้นการไหล- ซึ่งรวมถึงการไหลของกระแสน้ำวนและการกระแทกแบบปั่นป่วน ท่อที่ยืดหยุ่นและน้ำหนักเบามีความถี่ธรรมชาติที่สามารถตรงกับความถี่การกระตุ้นที่ความเร็วการไหลของกระบวนการโดยทั่วไป
การบรรเทาผลกระทบเริ่มต้นด้วยการปรับสภาพการไหลเข้า-แผ่นกระจายและใบพัดยืดตรงเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสลมปั่นป่วน-ต่ำสม่ำเสมอเข้าสู่มัด ส่วนรองรับท่อเพิ่มเติมจะช่วยลดช่วงที่ไม่รองรับและเพิ่มความถี่ธรรมชาติ สำหรับการออกแบบใหม่ การวิเคราะห์การสั่นสะเทือนในระหว่างขั้นตอนทางวิศวกรรมจะช่วยป้องกันการปรับเปลี่ยนสนามที่มีค่าใช้จ่ายสูง
การวิเคราะห์ทางวิศวกรรมสำหรับการประเมินความเสี่ยงจากการสั่นสะเทือนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE และการบรรเทาสามารถทำได้โดยการส่งขนาดท่อ ระยะห่างรองรับ ความเร็วการไหล คุณสมบัติของของไหล และอาการการสั่นสะเทือนที่สังเกตได้หรือประวัติความล้มเหลว
