特定の PTFE 熱交換器設置が振動による損傷を受けるのはなぜですか?入口流量調整によって振動損傷を軽減する方法は?

原因不明のチューブ疲労

ポンプ再循環ループ内の PTFE 熱交換器は、18 か月使用後にチューブとヘッダーの接続部分で漏れが発生します。{0}{1}化学反応は無害です。気温は適度です。圧力は設計限界内です。しかし、チューブにはサポートポイントとヘッダージョイントに疲労亀裂の兆候が見られます。

根本的な原因は振動です。 PTFEチューブは柔軟で軽量です。この柔軟性は、熱膨張への対応と耐衝撃性にとって有利です。しかし、同時にチューブが流れによる振動の影響を受けやすくなります-。流体が特定の速度で管束を横切って流れると、管の動きを励起する振動力が発生します。この振動は数百万サイクルにわたって応力集中点に疲労損傷を引き起こします。

流れ-による振動メカニズム

2 つの主なメカニズムにより、熱交換器チューブ束の振動が励起されます。渦放出は、流体がチューブを通過して流れるときに発生し、後流に交互の渦を生成します。これらの渦は、流速をチューブの直径で割った値に比例する周波数で分離します。放出周波数がチューブの固有振動数に近づくと、共振が発生します。真空管は大きな振幅で振動します。

乱流励起は、乱流における無秩序な圧力変動によるランダムな強制力です。渦放出の鋭い共振ピークは生成しませんが、時間の経過とともに疲労損傷を蓄積する広域スペクトルの振動を生成します。-乱流の励起は、隣接する管によって渦の放出が抑制される密集した管束で支配的です。

チューブの固有振動数は、その直径、壁の厚さ、材料係数、支持されていないスパンの長さ、およびチューブの内側と外側の流体の質量によって決まります。 PTFE チューブは弾性率が低いため、同等の金属チューブよりも固有振動数が低くなります。これにより、共通の流れ-によって引き起こされる励起の周波数範囲に近づきます。

表 1: 流れ条件とチューブサポート間隔による振動リスク評価 (外径 10mm PTFE チューブ)

リスク レベルは、壁 1.0 mm、流体密度 1,100 kg/m3 の PTFE について計算されたチューブの固有振動数に対する渦放出頻度に基づいています。実際のリスクは、特定の形状と流れの分布によって異なります。

入口流量調整ソリューション

振動を軽減する最も効果的な方法は、流れの乱れを発生源から防ぐことです。管束に入る流れは均一に分散され、大規模な乱流があってはならない。-入ってくる流れをスムーズに拡張する入口プレナムまたは分配ヘッダーは、局所的な速度を低下させ、チューブに到達する前に大きな渦を破壊します。

注入口ノズルとチューブ束の間に配置された穴あき分配プレートは、速度プロファイルを均一にします。プレートは均一な圧力降下を生成し、束の断面全体に流れを分配します。-。効果を発揮するには、プレート全体の圧力降下が流入する流れの動圧の少なくとも 1.5​​ 倍である必要があります。

入口ノズルまたは配管内の羽根を真っ直ぐにすることで、上流の配管コンポーネントからの渦巻きや大規模な乱流が軽減されます。{0}ポンプの吐出流量は特に問題になります。-インペラはブレード通過周波数で渦巻きと周期的な脈動の両方を与えます。熱交換器入口のパイプ直径 5 ～ 10 上流に設置された整流装置が、これらの構造を分割します。

既存のインストールのサポート変更

流れの調整だけでは不十分な場合、追加のチューブサポートによりサポートされていないスパンが減少し、励起範囲を超える固有振動数が上昇します。既存のサポートの間に中間サポート プレートを追加すると、スパン長が半分になり、固有振動数が 4 倍に増加します。

サポートの設計を変更することで減衰を高めることができます。 -熱滑りを許容しながら横方向の動きを防ぐタイトなクリアランスのサポートにより、チューブの衝撃をエネルギー散逸に変換します。-チューブは依然として軸方向に拡張できますが、大きな振動振幅を構築することはできません。

新しい設備の場合、振動解析を設計プロセスの一部として含める必要があります。予想される流量条件によって、サポートされていない最大許容スパンが決まります。このスパンはサポート プレートの間隔を設定します。振動防止のための設計は、疲労損傷が現れてから改修するよりもコストが低くなります。

まとめ

PTFE 熱交換器チューブの振動による損傷は、渦の放出や乱流のバフェッティングなどの流れによる励起メカニズムによって発生します。{0}}柔軟で軽量なチューブは、一般的なプロセス流速での励起周波数と一致する固有周波数を持っています。

緩和は、入口の流れを調整する分配プレートと整流板から始まり、-均一で乱流の少ない流れがバンドルに入るようにします。{1}チューブサポートを追加すると、サポートされていないスパンが減り、固有振動数が上がります。新しい設計の場合、エンジニアリング段階で振動解析を行うことで、コストのかかる現場での修正を防ぐことができます。

PTFE 熱交換器の振動リスク評価と軽減のためのエンジニアリング分析は、チューブの寸法、サポート間隔、流速、流体特性、観察された振動の症状や故障履歴を提出すると利用できます。