ゆっくりと変形するチューブ
175 度の濃硫酸プロセスに使用される PTFE 熱交換器は、2 年間明らかな問題なく動作します。 3 年目になると、オペレーターは温度を維持するために蒸気の消費量が徐々に増加していることに気づきます。毎年の操業停止期間中の検査により、チューブが伸びて細くなったことが原因であることが判明しました。外径は若干小さくなりました。チューブ束が伸びているように見えます。
突然の故障は発生しませんでした。漏れは発生しませんでした。チューブは、温度、内部蒸気圧、自重の複合的な影響を受けて、数千時間かけてゆっくりと変形しただけです。-。これはクリープです。-材料の短期降伏強度を下回る一定の応力下での時間依存の永久変形です。-。
PTFE は 175 度で化学的に安定しており、定格連続使用温度 260 度の範囲内に十分収まります。ただし、化学的安定性と機械的安定性は異なる特性です。材料の定格は、温度範囲の上限で長時間にわたってクリープ変形がないことを保証するものではありません。
PTFEのクリープ機構
クリープは、高温ではすべてのポリマーで発生します。通常は絡み合って変形に抵抗する分子鎖は、加えられた応力の下で互いに滑り抜けるのに十分な熱エネルギーを獲得します。滑りの速度は、温度、応力の大きさ、時間によって異なります。
PTFE 熱交換器チューブでは、主な応力は内部蒸気圧力によるフープ応力です。内圧 4 barg で壁厚 1 mm の外径 10 mm のチューブの場合、フープ応力は約 2 MPa です。周囲温度では、この応力における PTFE のクリープ速度は無視できます。 175 度でクリープ速度が測定可能になります。
また、チューブは、拘束された熱膨張による軸応力と、サポート間の自重による曲げ応力を受けます。-これらの応力はフープ応力よりも小さいですが、全体的なクリープ変形に寄与します。
クリープは、チューブの伸び、肉厚の薄化、直径の減少という 3 つの観察可能な変化として現れます。フープ応力がポアソン効果を通じて軸方向の歪みを生成するため、伸びが発生します。壁の薄化は、一定の体積変形によって生じます。- 管が伸びたり狭くなったりすると、材料の体積を節約するために壁の厚さが減少します。
表 1: PTFE チューブの推定クリープ変形と動作温度 (外径 10mm、壁厚 1mm、4 barg 蒸気)
| 動作温度 (度) | 相対クリープ速度 | 1年後の肉厚(mm) | 3年後の肉厚(mm) | 3 年後の破裂圧力 (bar) | 推奨寿命 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 無視できる | 1.00 | 0.98 | 35 | >20年 |
| 120 | 非常に低い | 0.99 | 0.96 | 30 | >15年 |
| 140 | 低い | 0.97 | 0.91 | 24 | 10～15年 |
| 160 | 適度 | 0.93 | 0.82 | 16 | 5～8年 |
| 180 | 高い | 0.85 | 0.65 | 8 | 2～4年 |
| 200 | 非常に高い | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
公表されている PTFE クリープ データとアレニウスの外挿に基づいた推定値。実際の速度は、特定の樹脂グレード、結晶化度、および加工履歴によって異なります。耐用年数は、元の破裂圧力の 50% に達するまでの時間として定義されます。
拡張サービスのための設計変更
フープ応力を軽減すると、特定の温度での耐用年数が長くなります。最も簡単な方法は蒸気圧力を下げることです。 4 barg ではなく 2 barg で動作させると、フープ応力が半分になり、所定のクリープひずみに達するまでの時間が約 2 倍になります。
チューブの壁の厚さを増やすと、薄化に対する直接的なマージンが得られます。 175 度で動作する 1.5 mm 肉厚のチューブは、約 2 倍の時間で 1.0 mm チューブと同じ最小肉厚に達します。デメリットとしては、熱伝達が減少し、それに比例してより多くの表面積が必要になります。
結晶性の高い PTFE グレードを使用すると、耐クリープ性が向上します。{0}分子量と結晶化度が制御された変性 PTFE 配合物は、同じ温度と応力で標準グレードよりも 30 ～ 50% 低いクリープ速度を示します。耐用年数の延長に比べて、材料費の増加はわずかです。
検査および廃棄基準
150 度を超える温度で動作するチューブは、クリープ変形がないか毎年検査する必要があります。代表的な箇所の外径と肉厚を測定することで、薄化の進行を追跡します。超音波厚さ計は、非破壊的な壁厚データを提供します。-
廃止基準は設置時に確立する必要があります。一般的な基準は、壁厚を元の値の 60% に減らすことです。この時点で、破裂圧力安全率は約 8:1 から 3:1 に減少します。これは動作圧力に対して十分なままですが、圧力逸脱に対するマージンは減少します。
目に見える直径の減少または 10% を超える伸びを示したチューブは、変形が材料のクリープ延性の多くを使い果たしたことを示すため、絶対厚さに関係なく交換する必要があります。
まとめ
PTFE 熱交換器を 180 度近くで連続運転すると、クリープ変形が発生し、チューブの壁が徐々に薄くなり、破裂圧力マージンが減少します。変形率は温度に指数関数的に依存し、フープ応力に線形に依存します。
標準 PTFE グレードおよび 4 barg 蒸気での 175 度での耐用年数は、クリープシンニングに基づいて約 2-4 年です。より低い蒸気圧、より厚い壁、より高い結晶性の PTFE グレードにより、これは大幅に延長されます。年に一度の壁厚測定により進行状況を追跡し、退職の決定をサポートします。
特定の動作条件での PTFE 熱交換器の耐用年数を予測するための工学分析は、動作温度履歴、蒸気圧力、チューブ寸法、材料グレード、および既存の変形測定値を提出することで利用できます。
