全 PTFE 熱交換器を使用した周期的な熱負荷下での溶接継ぎ目の亀裂リスクを排除するにはどうすればよいですか?{0}

数百回のサイクルで現れる亀裂

酸洗い槽内のステンレス鋼浸漬コイルは、生産バッチのサイクルに合わせて 25 度から 80 度の間で動作します。約 400 回の熱サイクルの後、溶接継ぎ目にピンホール漏れが発生します。コイルの使用期間は 2 年未満です。ベースメタルの厚みは十分なままです。破損は溶接接合部に正確に局所的に発生します。

この故障パターンは、熱交換器が定常状態で動作するのではなく、熱サイクルを繰り返すめっき工場、酸洗いライン、化学製粉作業でよく見られます。{0}}そのメカニズムは熱疲労であり、溶接によって生じた冶金学的不連続部に集中します。

溶接継ぎ目で熱応力が集中する理由

溶接シームは 3 つの重要な点で母材とは異なります。溶接フィラー金属の化学組成はわずかに異なり、腐食環境ではガルバニックカップルを形成します。溶接部に隣接する熱影響部では、粒子構造が変化し、延性が低下しています。-溶接の形状により、補強材が母材と接触する溶接の先端に応力集中が生じます。

金属浸漬コイルが 25 度から 80 度に加熱されると、熱膨張により圧縮応力が発生します。冷却すると、応力は引張に戻ります。溶接継手は、微細構造の違いと幾何学的応力集中により、サイクルごとに塑性ひずみが蓄積します。

十分なサイクルの後、溶接止端部で微小亀裂が発生します。{0}腐食性のプロセス環境は亀裂の伝播を促進します。亀裂は最終的に壁の厚さを貫通し、プロセス流体が蒸気凝縮水に漏れたり、逆も同様です。

表1：熱交換器工法の耐熱疲労性

典型的な浸漬コイル形状の有限要素解析からの応力集中係数。公開された疲労研究および現場での故障レポートからのサイクル寿命データ。

オール-PTFE構造の利点

PTFE 熱交換器チューブはペースト押出成形によって製造され、シームレスな連続長さを実現します。チューブに沿って溶接、接合、冶金的不連続性はありません。材料は端から端まで均一です。

PTFE の熱膨張は金属よりも高く、一般に設計上の課題と考えられる特性です。ただし、材料の柔軟性は、応力の蓄積ではなく、弾性変形を通じてこの膨張に対応します。適切にサポートされた PTFE チューブは、温度変化に応じて自由に伸縮します。幾何学的または冶金学的不連続性がないため、局所的な応力集中は発生しません。

繰り返し荷重下での PTFE の耐疲労性は、熱膨張に典型的なひずみ範囲での金属の耐疲労性をはるかに上回ります。熱膨張に相当するひずみ振幅で繰り返し曲げサイクルを行ってテストした PTFE チューブは、通常 100,000 サイクルを超えても破損はありません。通常のめっきおよび酸洗作業では、これは熱疲労を心配することなく数十年間使用できることになります。

設計の重要性をサポート

すべての -PTFE 構造により、溶接関連の故障が排除されます。-、適切なサポート設計により、完全な疲労寿命が保証されます。サポートは、熱膨張および熱収縮中にチューブが軸方向に自由に移動できるようにする必要があります。膨張を制限する剛性のクランプにより、クランプ ポイントに集中する局所的な曲げ応力が発生する可能性があります。

PTFE 熱交換器は通常、固体 PTFE または PVDF から製造されたスロット付きガイド プレートによってサポートされます。スロットは、熱伝達のためのチューブの間隔を維持しながら軸方向の移動を可能にするクリアランスのあるサイズに設定されています。この支持方法により、金属製支持フレームで発生する可能性があるクランプされた-接合部の応力集中が排除されます。

バッチ酸洗い操作のフィールド結果

周囲温度と 75 度の間の温度サイクルでバッチ式に稼働する鋼鉄酸洗いラインが、溶接継ぎ目で繰り返し故障した溶接チタン製加熱コイルを置き換えました。{0}コイルの平均寿命は 11 か月で、すべての故障は溶接部に隣接する熱影響部で始まる亀裂によるものでした。-

すべての PTFE 熱交換器には、自由熱膨張を考慮したサイズの PTFE ガイド プレートが取り付けられました。- 4 年間同じ熱サイクルを行った後でも、PTFE コイルには亀裂や漏れの兆候はなく、安定した熱伝達性能が示されました。シームレス構造により、以前のコイルの耐用年数を制限していた唯一の故障モードが排除されました。

まとめ

溶接された金属製熱交換器では、溶接継ぎ目に熱疲労応力が集中し、そこでの微細構造の違いや幾何学的不連続性によって亀裂が発生します。バッチめっきや酸洗操作に典型的な繰り返しの熱サイクル下では、これらの亀裂は数百サイクル以内に伝播して漏れにつながります。

-オール PTFE 熱交換器構造により、この故障モードが排除されます。シームレス押出チューブには溶接部、冶金的不連続部、応力集中部位がありません。材料の柔軟性は疲労損傷を蓄積することなく熱膨張に対応します。適切なサポート設計により自由な動きが確保され、サポートポイントでの応力集中が防止されます。

溶接関連の熱交換器の故障が発生したバッチ操作の場合、動作温度範囲、サイクル周波数、バスの化学的性質、タンクの寸法を提出すると、すべての PTFE シームレス コイルのサイジングに関する工学分析が可能です。{0}{1}