失敗の原因となったテスト
PTFE 熱交換器は、漏れや性能上の問題がなく、差し迫った故障の兆候もなく、4 年間確実に動作します。年に一度の予定されたメンテナンス停止中に、熱交換器は標準的な静水圧テストを受けます。チューブに水を満たし、設計蒸気圧 (4 barg 設計の場合は 6 barg) の 1.5 倍に加圧し、30 分間保持します。保留期間の途中で、大きな音とともにチューブが破裂します。
この失敗は憂慮すべきことだ。蒸気の使用下では完全に機能したチューブが、その完全性を検証するためのテスト中にどのようにして故障するのでしょうか?その答えは、PTFE に対する蒸気サービス負荷と冷水静水圧負荷の根本的な違いと、PTFE が周囲温度で持続する高圧に応答する独自の方法にあります。
蒸気負荷と静水圧負荷の違い
蒸気サービスでは、PTFE 熱交換器チューブは 3-4 barg の飽和蒸気により 130-160 度の内部温度で動作します。この温度では、PTFE は延性があります。破断伸びは200%を超えます。チューブ壁に局所的な欠陥または薄いスポットが存在すると、材料が塑性変形して応力が再分配されます。チューブに膨らみが生じることがありますが、これは目に見える警告です。ただし、致命的な破裂はありません。この延性挙動により、通常の動作中に欠陥の存在が隠蔽されます。
冷水静水圧試験では、PTFE チューブは 20-25 度です。この温度では、PTFE は相転移を示します。約 19 度未満、そして再び 30 度近くになると、ポリマーの結晶構造は構造変化を起こし、機械的特性に影響を及ぼします。この材料は強度が高くなりますが、150 度での挙動と比較して延性が大幅に低下します。動作温度で良性の膨らみを生じる欠陥は、冷水の圧力下では脆性のような破断を引き起こす可能性があります。
さらに、水は非圧縮性です。チューブが水圧で破裂すると、加圧された水が大気圧まで膨張するにつれて、蓄えられたエネルギーが即座に放出されます。破裂による圧力波により、隣接するチューブが損傷する可能性があります。蒸気サービスでは、静水圧破壊のような爆発的なエネルギーが放出されることなく、漏れによって圧縮性蒸気が徐々に放出されます。
表 1: PTFE チューブの挙動: 蒸気サービスと静水圧試験
| パラメータ | スチームサービス（4気圧、143度） | 冷間静水圧試験 (6 barg、20 度) |
|---|---|---|
| PTFE延性（破断伸び） | >200% | 100～150％（相転移領域） |
| 欠陥時の故障モード | 膨らみ;リークの進行が遅い | 脆性破壊の可能性 |
| 加圧媒体 | 圧縮性蒸気 | 非圧縮性の水 |
| 故障時のエネルギー放出 | 徐々に;蒸気が逃げる | 瞬間的。ウォーターハンマー効果 |
| 既存の損傷の検出可能性- | 延性の膨らみによって隠蔽される可能性がある | より低いひずみでの破断によって明らかになる |
| ホールド時の応力緩和 | クリープにより応力集中が緩和される | 最小限のリラックス。持続的なストレス |
クリープ損傷蓄積理論
長年にわたる蒸気サービスの成功後の静水圧試験中にチューブが破裂する最も可能性の高い説明は、検出可能な漏れを生成しなかった運転中に蓄積されたクリープ損傷です。
動作温度では、管壁は内部の蒸気圧力によるフープ応力を受けます。何千時間もかけて、PTFE がクリープします。-チューブの直径はゆっくりと大きくなり、壁はゆっくりと薄くなります。これは正常なことであり、設計寿命に含まれます。ただし、局所的な欠陥が存在する場合、-製造上のボイド、取り付けによる表面の傷、サポート-による摩耗点-など、その場所のクリープ速度は周囲の材料よりも高くなります。局所的な壁の薄化はより速く進行します。
動作温度では、圧力がかかると薄くなった領域が塑性変形します。外側に膨らみ、小さな水疱が形成されることがあります。蒸気圧が適度であり、PTFE は延性があるため、バルジが破断することはありません。膨らんだ形状によって応力が再分散されるため、クリープ速度が遅くなり、安定する可能性があります。交換器は引き続き機能します。
水圧試験中、高圧、低温（延性の低下）、非圧縮性の水が組み合わさって、蒸気条件下では安定していたバルジが破壊されます。故障は突然に見えますが、長年の使用により蓄積されたダメージです。
PTFE 熱交換器の安全な静水圧試験
PTFE 交換器の水圧試験には、金属機器に使用される標準手順を変更する必要があります。
テスト圧力は、金属に一般的に使用される 1.5 倍ではなく、設計圧力の 1.25 倍を超えてはなりません。 PTFE は周囲温度での延性が低いため、安全な過圧力マージンが減少します。
低延性相転移領域を避けるために、試験媒体の温度は 25 度以上である必要があります。-。 30 ～ 35 度の温水は、人体への安全性を保ちながら、試験中の PTFE 延性を大幅に向上させます。
あるいは、設計圧力の 1.1 倍の圧縮空気を使用し、蓄積エネルギーに対する適切な安全対策を講じた空気圧試験では、圧力減衰測定によって漏れを検出しながら、非圧縮性流体の破裂エネルギーを回避できます。
まとめ
蒸気サービスに問題がなかった後の静水圧試験中の PTFE チューブの突然の破裂は、延性を低下させる冷水温度、クリープシンニング領域の容量を超える高い試験圧力、および貯蔵されたエネルギーを壊滅的に放出する非圧縮性水の組み合わせによって発生します。{0}この破損により、動作温度で徐々に蓄積した損傷が明らかになりましたが、高温蒸気使用時の PTFE の延性挙動によって隠蔽されていました。
Safe testing of PTFE exchangers uses reduced overpressure (1.25× design), warm water (>25 度 )、または適切な安全対策を講じた空気圧試験。これらの変更により、圧力境界の完全性を検証しながら、テストに起因する障害が防止されます。-
PTFE 熱交換器の安全な圧力試験のための技術手順は、設計圧力、チューブ材料仕様、サービス履歴、および以前の試験結果を提出することで入手できます。
