در داخل یک مبدل حرارتی-و-لوله، لولهها به طور مداوم تحت تأثیر جریان سیال، نوسانات فشار، و تلاطم میلرزند. اگرچه این حرکت اغلب میکروسکوپی است، اما حرکت مکرر در نقاط پشتیبانی لوله بسیار مخرب می شود. جایی که یک لوله تانتالیوم از یک بافل نگهدارنده عبور می کند، لبه تیز سوراخ بافل می تواند مانند یک فایل مکانیکی کوچک عمل کند و به تدریج در سطح فلزی نرم تر آسیاب شود. این پدیده به سایش fretting معروف است.
هزاران زمزمه آرام فلز روی فلز در نهایت آسیب قابل اندازه گیری می شود. در موارد شدید، فرتینگ میتواند به طور کامل از دیواره لوله تانتالیوم ساییده شود و منجر به نشت، آلودگی فرآیند و خاموش شدن مبدل پرهزینه شود.
درک مکانیزمهای پشتیبان لولههای تانتالیومی برای طراحی مبدل و برنامهریزی نگهداری طولانیمدت ضروری است.
لباس فرتینگ چیست؟
فرتینگ یک مکانیسم سایش موضعی است که در اثر حرکت نسبی دامنه کوچک مکرر بین دو سطح در تماس ایجاد می شود.
چرا حرکت کوچک باعث آسیب بزرگ می شود
بر خلاف لباس های کشویی بزرگ، خراشیدگی زمانی اتفاق می افتد که حرکت بسیار محدود باشد اما میلیون ها بار تکرار شود.
در مبدل های حرارتی، این حرکت به این دلیل ایجاد می شود:
جریان سیال ارتعاش لوله را تحریک می کند
ضربان های فشار لوله ها را خم می کند
آشفتگی باعث جابجایی چرخه ای می شود
انبساط حرارتی حرکت میکرو- ایجاد می کند
در محل نگهدارنده بافل، لوله به طور مکرر به لبه سوراخ بافل ساییده می شود.
اگرچه این جابجایی ممکن است فقط میکروسکوپی باشد، تعداد زیادی از چرخه ها در نهایت مواد را از سطح لوله حذف می کند.
چرا لوله های تانتالیوم آسیب پذیر هستند؟
تانتالیم در محیطهای اسیدی تهاجمی مقاومت در برابر خوردگی فوقالعادهای دارد، اما از نظر مکانیکی فلزی نسبتاً نرم باقی میماند.
نرمی حساسیت به سایش را افزایش می دهد
در مقایسه با فولادهای سخت شده یا آلیاژهای نیکل، تانتالیم:
راحت تر تغییر شکل می دهد
راحت تر خراش می دهد
مقاومت سایشی کمتری از خود نشان می دهد
این نرمی باعث می شود تانتالیوم به ویژه در برابر سایش ساینده و فرسایشی در نقاط تماس پشتیبانی حساس شود.
اختلال در لایه اکسیدی
تانتالوم معمولاً از طریق تشکیل یک لایه اکسید پایدار از خود محافظت می کند.
در حین عصبانیت:
لایه اکسید به طور مکرر خراشیده می شود
فلز تازه آشکار می شود
ساییدگی چسب و خراشیدگی افزایش می یابد
انتقال مواد بین سطوح
نتیجه آسیب تدریجی سطحی است که در لوله-در-منطقه تماس بافل متمرکز شده است.
چگونه آسیب های ناراحت کننده پیشرفت می کند
فرآيند پشتيباني لوله هاي تانتالومي به تدريج ولي به طور مداوم در حين كار توسعه مي يابد.
پرداخت اولیه سطح
ناراحتی در مراحل اولیه-اغلب به صورت زیر ظاهر میشود:
نوارهای صیقلی صاف
تغییر رنگ جزئی
امتیازدهی سطح سبک
در این مرحله، از دست دادن دیوار ممکن است حداقل باشد.
تشکیل شیار
همانطور که ارتعاش ادامه می یابد:
سایش به صورت موضعی عمیق می شود
شیارهای کوچکی تشکیل می شود
زبری سطح افزایش می یابد
بازسازی اکسید دشوارتر می شود
در نهایت ممکن است یک شیار محیطی قابل مشاهده در اطراف لوله در محل بافل ایجاد شود.
نازک شدن دیوار موضعی
هنگامی که حذف مواد به اندازه کافی پیشرفت کرد:
ضخامت دیواره لوله کاهش می یابد
تمرکز استرس افزایش می یابد
مقاومت در برابر خستگی کاهش می یابد
بخش ضعیف شده در نهایت قادر به مهار فشار داخلی فرآیند نمی شود.
سپس ممکن است گودالها یا ترکهای کوچک ایجاد شوند که در نهایت منجر به نشت میشود.
چرا اکسیژن{0}}شرایط تخلیه شده باعث بدتر شدن وضعیت عصبی می شود؟
آسیب فرتینگ به شدت تحت تأثیر شرایط شیمیایی محلی در اطراف منطقه تماس است.
بازسازی فیلم اکسید اهمیت دارد
تانتالیوم برای حفظ مقاومت در برابر خوردگی و پایداری سطح به تشکیل مجدد اکسید سریع-تکیه دارد.
با این حال، در محیطهای کم اکسیژن-:
بازسازی اکسید کند می شود
فلز لخت مدت بیشتری در معرض دید باقی می ماند
سایش چسب افزایش می یابد
صفراوی شدیدتر می شود
این به میزان قابل توجهی آسیب خراش را تسریع می کند.
شکافها{0}}مثل نواحی اطراف سوراخهای بافل که محکم نصب شدهاند ممکن است بهطور طبیعی در حین کار، بهویژه در نواحی راکد فرآیند، دچار کمبود اکسیژن شوند-.
علائم متداول آسیب خراشیدگی
سایش فرتینگ اغلب در طول برنامه های بازرسی مبدل یا آزمایش لوله کشف می شود.
شاخص های معمولی عبارتند از:
شیارهای سایشی محیطی
سطوح لوله بسیار صیقلی
نازک شدن موضعی دیوار
زباله های فلزی ریز
نشتی در مکان های بافل
نشانه های نازک شدن جریان گردابی
از آنجا که آسیب در زیر صفحات پشتیبانی رخ می دهد، بازرسی مستقیم بصری ممکن است گاهی اوقات نیاز به استخراج جزئی باندل داشته باشد.
چگونه از پوشیدن خسته کننده جلوگیری می شود
پیشگیری موفق بر کاهش حرکت لوله و به حداقل رساندن نیروهای تماس ساینده متمرکز است.
کاهش دهانه لوله پشتیبانی نشده
یکی از موثرترین روش ها کنترل مستقیم ارتعاش لوله است.
این معمولاً از طریق:
حفره های پشتیبانی اضافی
کاهش فاصله بافل
تجزیه و تحلیل لرزش بهبود یافته
بهینه سازی مسیر جریان
دهانههای کوتاهتر بدون پشتیبانی، دامنه انحراف لوله را کاهش میدهد و شدت مالش را کاهش میدهد.
بهینه سازی لوله-به-Baffle Fit
فاصله مناسب بین لوله و سوراخ بافل بسیار مهم است.
اگر فاصله بسیار زیاد است:
دامنه ارتعاش لوله افزایش می یابد
بارگذاری ضربه شدیدتر می شود
اگر تناسب بیش از حد سفت باشد:
تنش های انبساط حرارتی افزایش می یابد
اتصال ممکن است رخ دهد
تمرکز پوشیدن تشدید می شود
تناسب با دقت کنترل شده هم لرزش و هم محدودیت بیش از حد را به حداقل می رساند.
استفاده از آستین و آستر پلیمری
در کاربردهای خدماتی شدید، گاهی اوقات آسترهای پلیمری قربانی درون سوراخهای بافل نصب میشوند.
آستین PTFE و PFA
مواد فلوروپلیمری سازگار با مواد شیمیایی مانند:
PTFE
PFA
می تواند به عنوان آستر نرم بین لوله و ساختار پشتیبانی استفاده شود.
این آستین ها حرکت مالشی را بدون آسیب رساندن به سطح تانتالیوم جذب می کنند.
چرا آسترهای قربانی کار می کنند؟
آستر پلیمری فراهم می کند:
کاهش اصطکاک
میرایی ارتعاش
حذف تماس فلز-به-فلز
محافظ سایش قابل تعویض
محافظت از یک فلز ابرقهرمانی گاهی به یک سپر پلاستیکی ساده نیاز دارد.
ملاحظات ضخامت دیوار لوله
افزایش ضخامت دیواره لوله ممکن است مقاومت در برابر فرسایش را با ایجاد سایش اضافی بهبود بخشد.
محدودیت های عملی
در عمل، ضخیم شدن موضعی فقط در مکان های بافل معمولاً امکان پذیر نیست.
در عوض، ممکن است مشخصات لوله ضخیمتری برای کل مبدل انتخاب شود اگر:
ارتعاش شدید انتظار می رود
سرعت جریان بالا وجود دارد
عمر طولانی مورد نیاز است
این رویکرد هزینه مواد را افزایش می دهد اما ممکن است دوام را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
بازرسی و نظارت جریان گردابی
برنامههای بازرسی منظم ضروری هستند زیرا آسیبهای آزاردهنده در طول زمان بیصدا ایجاد میشوند.
چرا تست جریان گردابی موثر است؟
معاینه جریان گردابی می تواند تشخیص دهد:
نازک شدن موضعی دیوار
ترک های سطحی
شیارها را بپوشید
آسیب به ناحیه مخفی-
قبل از وقوع نشتی
نظارت معمول اجازه می دهد تا لوله های آسیب دیده قبل از ایجاد خرابی فاجعه بار تعمیر یا وصل شوند.
نتیجه گیری
فرتینگ یک مکانیسم سایش بیصدا اما بسیار پیشرونده است که در جایی ایجاد میشود که لولههای تانتالیوم ارتعاشی به طور مکرر با بافلهای پشتیبانی داخل مبدلهای حرارتی تماس میگیرند. ترکیبی از حرکات با دامنه کوچک-، قطع شدن لایه اکسیدی، گازگرفتگی و حذف تدریجی مواد میتواند در نهایت باعث نازک شدن دیواره و نشت لوله شود.
از آنجایی که تانتالیوم نسبتاً نرم است، توجه دقیق به ساییدگی لولههای تانتالیوم برای جلوگیری از بافلها در طراحی و نگهداری مبدل ضروری است. استراتژیهای موثر عبارتند از کاهش ارتعاش از طریق فاصله بافل تنگتر، هندسه پشتیبانی لوله بهینه، لوله کنترلشده-به-ترخیص بافل، و استفاده فداکارانه از آسترهای PTFE یا PFA برای از بین بردن تماس آسیبرسان فلز-به{4}}فلز.
بازرسی منظم جریان گردابی به شناسایی سایش اولیه قبل از به خطر افتادن یکپارچگی مرز فشار کمک می کند.
حتی مقاومترین فلزات در برابر خوردگی-در برابر حرکات مکانیکی مکرر آسیبپذیر میمانند و قابلیت اطمینان درازمدت اغلب به کنترل سایش اندازهگیری شده در حرکات میکروسکوپی که میلیونها بار تکرار میشوند بستگی دارد.
