PTFE 熱交換器が高温でチューブの変形を起こすのはなぜですか? 適切なサポート間隔で変形を防ぐにはどうすればよいですか?

変形チューブの発見

年次定期検査中に、保守担当者は PTFE 熱交換器を 150 度の濃酸浴から取り出します。サポートプレート間のいくつかのチューブに目に見えるたるみが見られます。 1 本のチューブがサポート クランプ付近でねじれを起こしています。コイルはまだ加熱されていますが、変形は進行します-毎年たるみが増加します。

高温における PTFE は硬い材料ではありません。持続的な負荷がかかると柔らかくなり、クリープし、大幅に膨張します。適切なサポート間隔がないと、自重、熱膨張、蒸気圧の組み合わせによって永久変形が発生します。-変形したチューブは設計された間隔を失い、流れが制限され、振動によりフレッチング損傷を引き起こす可能性のある接触点が生じます。

高温におけるクリープのメカニズム

クリープは、一定の荷重下での時間に依存する変形です。- PTFE の場合、100 度を超える温度では、短期降伏強度を大幅に下回る応力下でクリープが測定可能になります。-端部のみで支持された水平 PTFE チューブは、自重による曲げ応力を受けます。 140 度で数か月間、このストレスにより徐々にたるみが生じます。

クリープ速度は温度とともに指数関数的に増加します。 80 度では、チューブが適切に支持されている場合、クリープは無視できます。 120 度では、クリープが設計上の考慮事項になります。 150 度以上では、クリープが機械設計の大半を占めます。-サポートの間隔は、設計寿命全体にわたって許容可能なクリープが生じるレベルに曲げ応力を制限するのに十分な距離になければなりません。

熱膨張が問題をさらに悪化させます。 PTFE は摂氏 1 度あたり 1 メートルあたり約 0.12 mm 膨張します。これは鋼鉄の約 10 倍です。 25 度から 140 度に加熱された 2 メートルのチューブは、約 28 mm 伸びます。サポートがこの膨張を抑制すると、圧縮座屈が発生します。チューブはサポート間で横に曲がり、永続的な横方向の変形が生じます。

表 1: 推奨 PTFE チューブサポート間隔と温度 (外径 10mm × 壁 1mm、水平方向)

中間スパンのたわみを 3 mm 未満に制限し、温度における曲げ応力を 0.5 MPa 未満に制限するように計算された間隔。-撹拌浴では、溶液の移動による流体力学的負荷のため、より狭い間隔が必要です。

設計原則のサポート

PTFE チューブのサポート プレートは、横方向の変位を防止しながら軸方向の移動を許容する必要があります。固体 PTFE または PVDF から製造されたスロット付きガイドがこの目的に役立ちます。チューブは熱膨張および熱収縮中にスロット内を自由にスライドしますが、スロットの壁によりたるみや横方向の曲がりが防止されます。

横方向のサポートを維持しながら固着を防ぐため、スロットはチューブの外径よりもわずかに大きく、-0.5 ～ 1.0 mm 大きくする必要があります。タイトなスロットは熱の動きを制限し、サポートを座屈を引き起こす拘束に変えます。スロットが緩すぎると、撹拌時にチューブが振動し、サポート接触点で疲労が発生します。

端部の固定には特に注意が必要です。チューブとヘッダの接続は通常、圧縮継手です。-チューブはヘッダーと最初のサポートの間で自由に拡張できなければなりません。拡張時の曲げ応力を制限するには、ヘッダーから最初のサポートまでの距離を通常のサポート間隔の半分にする必要があります。

垂直方向の考慮事項

垂直チューブでは、水平チューブとは異なるクリープが発生します。自重により、曲げ応力ではなく引張応力が生じます。-引張クリープは、たるみではなく伸びと壁の薄化を引き起こします。垂直チューブのサポート間隔は、自重のたわみではなく、座屈抵抗と振動制御に対処します。-

ヘッダー間の垂直 PTFE チューブは、同じ温度で水平チューブの間隔を超えない間隔で横方向に支持する必要があります。サポートは、圧縮熱負荷下でのオイラー座屈を防止し、流体の流れによる振動振幅を制限します。

まとめ

高温での PTFE 熱交換器チューブの変形は、自重によるクリープと拘束された熱膨張による座屈によって発生します。-適切なサポート間隔により、曲げ応力が機器の寿命全体にわたって許容可能なクリープを生じるレベルに制限されます。

サポート間隔は、動作温度が上昇するにつれて減少し、外径 10 mm のチューブの場合、60 度での 600 mm から 160 度での 200 mm まで減少します。スロット付きガイドサポートにより、横方向の変位を防止しながら、軸方向の自由な熱移動が可能になります。ヘッダーから-最初のサポートまでの距離-には、拡張ストレスを管理するために半分のスペースが必要です。

特定の動作条件における PTFE チューブ サポートの間隔に関する工学解析は、チューブの直径、肉厚、向き、動作温度、流体の撹拌強度、設計耐用年数要件を提出すると利用できます。