PTFE 熱交換器が長時間蒸気にさらされると、チューブ表面に気泡やブリスターが発生するのはなぜですか?

水膨れした表面

定期点検中、メンテナンス担当者は PTFE 熱交換器チューブの外面に、直径 1{0}} 直径 1{2}} の小さな水疱を観察します。ブリスターは、蒸気入口近くのバンドルの最も高温のゾーンにあるチューブに集中しています。いくつかの水疱は破裂し、チューブの表面に浅いクレーターが残っています。

水疱が現れるとすぐに懸念が生じます。チューブが故障していませんか？これは化学攻撃ですか？チューブが漏れてしまいますか？答えを得るには、ブリスター形成メカニズムを理解する必要がありますが、これは化学的攻撃や差し迫った圧力境界破壊ではありません。これは、PTFE 素材内の吸湿とミクロボイドによって引き起こされる物理現象です。

ブリスターは表面の平滑性を損ない、局所的に熱伝達をわずかに低下させる可能性がありますが、チューブの壁を貫通したり、漏れを引き起こすことはほとんどありません。ただし、それらの存在は、PTFE 材料の品質または蒸気の品質に注意が必要な可能性があることを示しています。

吸湿とミクロボイドのメカニズム

PTFEは疎水性です。水は表面を濡らしません。しかし、温度が上昇すると、水蒸気がポリマー構造にゆっくりと浸透する可能性があります。浸透する水分子はポリマー鎖間の自由体積を占めます。-これは PTFE に柔軟性を与えるのと同じ自由体積です。

飽和蒸気中で 130 ～ 150 度の温度で数千時間放置すると、PTFE 内の微細な空隙に水が蓄積します。これらの空隙は材料に固有のものです。すべての PTFE には、製造時の焼結プロセスで発生したいくつかの微小ボイドが含まれています。これらの空隙内の水は、外部の蒸気圧と平衡状態にあります。

熱交換器が停止して冷却されると、閉じ込められた水が凝縮します。液体の水の体積は、それを生成した蒸気の体積よりもはるかに少ないため、空隙内に真空が生じます。空隙は部分的に崩壊します。次の加熱サイクルでは、液体の水が蒸発して蒸気に戻ります。-急速な体積膨張-水から蒸気への体積増加は約 1,600:1 であり、-空隙内に圧力パルスが発生します。パルスは周囲のポリマーを引き伸ばします。

多くの熱サイクルにわたって、繰り返される膨張パルスによって空隙が成長します。小さな空隙が合体して大きな空隙になります。成長する空隙の上の薄くなったポリマーは外側に膨らみ、目に見えるブリスターを形成します。最終的にブリスターの壁は破裂点まで薄くなり、閉じ込められた蒸気が放出され、クレーターが残ることがあります。

表 1: 水疱の形成要因と予防策

PTFE チューブ製造における品質要素

PTFE チューブのミクロボイド含有量は製造プロセスによって異なります。ペースト-押出 PTFE チューブは、PTFE 粉末と潤滑剤を混合し、ペーストをチューブ形状に押し出し、高温で焼結して粒子を融合させることによって製造されます。焼結プロセスにより潤滑剤が除去され、PTFE 粒子が合体して連続マトリックスが形成されます。

不完全な焼結では、部分的に合体した粒子間の境界に微小空隙が残ります。これらの空隙は、湿気が蓄積し水膨れが発生しやすい場所です。高品質の PTFE チューブは最適化された焼結を経て、空隙含有量を最小限に抑えます。-

空隙率が 1% 未満 (理論上の PTFE 密度 2.15 ～ 2.20 g/cm3 との密度比較によって測定) のチューブを指定すると、ブリスターの発生しやすさが大幅に減少します。この仕様は、130 度以上で動作する PTFE 熱交換器の調達文書に含める必要があります。

水疱と化学攻撃の区別

吸湿による水疱は化学的攻撃とは異なります。化学的攻撃は通常、変色、表面の荒れ、または均一な壁の薄化を引き起こします。水疱は局所的であり、関連する色の変化はありません。ブリスターを囲む PTFE は機械的に健全です。

疑いがある場合は、水疱を切り取って検査することができます。湿気-によって引き起こされた水疱は、滑らかな壁を持つきれいな内部空洞を示します。化学的に攻撃された領域では、材料の劣化、変色、または機械的特性の変化が見られます。水疱にこれらの兆候のいずれかが伴う場合は、化学的適合性を再評価する必要があります。-

まとめ

PTFE 熱交換器チューブのブリスターは、ポリマー内の微小空隙に水分が蓄積し、熱サイクル中に周期的に蒸気が膨張することで発生します。そのメカニズムは化学的ではなく物理的です。ブリスターは材料の品質または蒸気の品質に問題があることを示しますが、チューブの漏れにつながることはほとんどありません。

予防策は、低空隙 PTFE チューブを指定すること、高い蒸気乾燥度を維持すること、不必要な熱サイクルを減らすこと、起動中に温度を徐々に上昇させることに重点を置いています。{0}広範な水膨れのあるチューブは監視する必要がありますが、水膨れ部位の壁の厚さが最小値を下回っていない限り、直ちに交換する必要はありません。

ブリスター評価および PTFE 材料仕様に関するエンジニアリング推奨事項は、動作温度と圧力、蒸気品質データ、サイクル周波数、およびチューブ材料認証を提出すると入手できます。