La ovalidad que acorta la vida
Un tubo intercambiador de calor de PTFE con una sección transversal-perfectamente circular distribuye la presión del vapor interno de manera uniforme alrededor de su circunferencia. La tensión circunferencial es igual en todos los puntos. El tubo se desliza uniformemente y el adelgazamiento de la pared progresa de manera predecible.
Un tubo con incluso una ligera ovalidad concentra la tensión en los puntos de mínimo radio de curvatura. La tensión circunferencial es mayor donde la pared se curva más pronunciadamente. La fluencia se acelera en estos lugares de alto-estrés. El adelgazamiento de las paredes se vuelve no-uniforme. La presión de rotura-la presión interna a la que se rompe el tubo-cae más rápido de lo predicho por los modelos de pared-uniforme.
La relación entre la ovalidad inicial y la retención de la presión de estallido a largo plazo-es cuantificable. La especificación de una tolerancia de ovalidad en el momento de la fabricación garantiza que el tubo conserve la capacidad de presión adecuada durante toda su vida útil de diseño.
La concentración de estrés proveniente de la ovalidad
Para un tubo de pared delgada-perfectamente circular, la tensión circunferencial es: σ=P × D / (2 × t), donde P es la presión interna, D es el diámetro medio y t es el espesor de la pared. Esta es la fórmula estándar de Barlow.
Para un tubo ovalado, la tensión circular en el punto de radio mínimo es mayor. El factor de concentración de tensiones K depende de la ovalidad, definida como: Ovalidad (%)=(Dmax - Dmin) / Dnominal × 100.
Con una ovalidad del 2 %, el factor de concentración de tensión es aproximadamente 1,15-un aumento del 15 % en la tensión circular local. Con un 5% de ovalidad, K ≈ 1,35. Con un 10% de ovalidad, K ≈ 1,70. El aumento de la tensión provoca una fluencia más rápida en los puntos de alta curvatura. El tubo se vuelve progresivamente más ovalado a medida que la fluencia adelgaza la pared preferentemente en estos lugares. El ciclo de retroalimentación se acelera.
Tabla 1: Impacto de la ovalidad en la retención de la presión de estallido durante 5 años (PTFE modificado de pared de 10 mm de diámetro exterior × 1 mm, vapor de 3 barg a 143 grados)
| Ovalidad inicial (%) | Factor de concentración de estrés (K) | Adelgazamiento de la pared a los 5 años (% del original) | Retención de la presión de estallido a los 5 años (% del original) | Disposición |
|---|---|---|---|---|
| < 1.0 | < 1.08 | 5-8% (uniforme) | 85-90% | Aceptable por 10+ año de servicio |
| 1.0-2.0 | 1.08-1.15 | 8-12% (ligeramente no uniforme) | 78-85% | Aceptable para servicio de 5 a 8 años |
| 2.0-3.0 | 1.15-1.22 | 12-18% (mensurablemente no uniforme) | 70-78% | Marginal; reducir el intervalo de inspección |
| 3.0-5.0 | 1.22-1.35 | 18-28% (visiblemente no uniforme) | 60-70% | Reemplazar dentro de 3 años |
| > 5.0 | > 1.35 | >28% (acelerando) | < 60% | Reemplazar en la próxima oportunidad |
Valores calculados para PTFE modificado a vapor saturado a 143 grados. El PTFE virgen muestra un adelgazamiento de la pared aproximadamente entre un 30 % y un 50 % más rápido con la misma ovalidad debido a una mayor tasa de fluencia.
Especificaciones de ovalidad de fabricación
Los tubos de PTFE se producen mediante extrusión de pasta. El proceso de extrusión produce naturalmente cierto grado de ovalidad. La ovalidad as-extruida depende del diseño del troquel de extrusión, la tensión de arrastre-y la velocidad de enfriamiento.
Los tubos comerciales estándar de PTFE suelen tener una ovalidad del 1-3%. Esto es adecuado para la mayoría de las aplicaciones de intercambiadores de calor que funcionan por debajo de 4 barg de presión de vapor. Para requisitos de servicio de mayor presión o vida útil prolongada, se deben especificar tuberías con una ovalidad inferior al 1,5%.
La ovalidad se mide con un micrómetro o comparador óptico en múltiples puntos a lo largo de cada tubo. Para aplicaciones críticas, se recomienda una inspección completa de la ovalidad del tubo en el punto medio y en ambos extremos. Los datos de medición deben incluirse en la documentación de certificación del material.
En-supervisión de la ovalidad del servicio
La ovalidad del tubo aumenta con el tiempo debido a la fluencia en los puntos de mayor-esfuerzo. La medición periódica de la ovalidad del tubo durante el mantenimiento programado proporciona una advertencia temprana cuando se acerca el final de su vida útil. Una tendencia de ovalidad creciente indica que la fluencia se está acelerando y el adelgazamiento de las paredes se está volviendo no-uniforme.
Cuando la ovalidad en-servicio alcanza el 5 %, el tubo ha consumido aproximadamente entre el 50 y el 60 % de su vida útil. Se debe planificar el reemplazo. Cuando la ovalidad alcanza el 8-10%, el factor de seguridad de la presión de estallido se acerca al nivel mínimo aceptable y se recomienda su reemplazo inmediato.
Resumen
La ovalidad inicial del tubo afecta directamente-la retención de la presión de rotura a largo plazo en los intercambiadores de calor de PTFE. La ovalidad inferior al 2 % garantiza una fluencia uniforme y un adelgazamiento predecible de las paredes durante 5-8 años de servicio. Una ovalidad superior al 3 % acelera el adelgazamiento no-uniforme en los puntos de alta curvatura, lo que reduce la retención de la presión de estallido al 60-70 % en 5 años.
Especificar una tolerancia de ovalidad inferior o igual al 2 % en la fabricación y monitorear la ovalidad durante el servicio proporciona una base cuantificable para la predicción de la vida útil y la programación de reemplazo.
Las especificaciones de ingeniería para los criterios de aceptación de la ovalidad de los tubos de PTFE en aplicaciones específicas de intercambiadores de calor están disponibles previa presentación de la presión del vapor, la vida útil requerida, las dimensiones del tubo y los procedimientos de inspección actuales.
