הסדק שמופיע אחרי מאות מחזורים
סליל טבילה מנירוסטה באמבט כבישה פועל בין 25 מעלות ל-80 מעלות כמחזור מנות ייצור. לאחר כ-400 מחזורים תרמיים, מופיעה דליפת חריר בתפר ריתוך. הסליל בן פחות משנתיים. עובי המתכת הבסיסית נשאר הולם. הכשל מתמקם בדיוק במפרק המרותך.
דפוס כשל זה נפוץ בכל חנויות ציפוי, קווי כבישה ופעולות כרסום כימיים שבהם מחליפי חום חווים מחזוריות תרמית חוזרת ונשנית במקום פעולה קבועה-. המנגנון הוא עייפות תרמית, המרוכזת בחוסר המשכיות המתכתי שנוצרו על ידי ריתוך.
מדוע תפרי ריתוך מרכזים מתח תרמי
תפר ריתוך שונה ממתכת בסיס בשלוש דרכים קריטיות. למתכת מילוי הריתוך יש הרכב כימי מעט שונה, היוצר זוג גלווני בסביבות קורוזיביות. האזור המושפע-החום הסמוך לריתוך שינה את מבנה הגרגירים עם גמישות מופחתת. גיאומטריית הריתוך יוצרת ריכוז מתח בבוהן הריתוך במקום שבו החיזוק פוגש את המתכת הבסיסית.
כאשר סליל טבילה מתכתי מתחמם מ-25 מעלות ל-80 מעלות, התפשטות תרמית יוצרת מתח דחיסה. עם הקירור, הלחץ מתהפך למתיחה. המפרק המרותך, עם ההבדלים המיקרו-מבניים וריכוז המתח הגיאומטרי שלו, צובר מתח פלסטי בכל מחזור.
לאחר מספיק מחזורים, מיקרו-סדקים מתחילים בבוהן הריתוך. סביבת התהליך המאכל מאיצה את התפשטות הסדקים. הסדק חודר בסופו של דבר את עובי הדופן, ודליפות נוזל תהליכים לתוך עיבוי הקיטור או להיפך.
טבלה 1: עמידות בפני עייפות תרמית של שיטות בניית מחליף חום
| שיטת בנייה | תפרי ריתוך נוכחים | גורם ריכוז מתח | מחזורים אופייניים לכישלון (ΔT=55 תואר) |
|---|---|---|---|
| סליל SS 316L מרותך | כן (מרובות) | 2.5-3.5 בבוהן ריתוך | 300-800 |
| סליל טיטניום מרותך | כן (מרובות) | 2.0-3.0 בבוהן ריתוך | 500-1,200 |
| נחושת מולחמת-ניקל | כן (מרובות) | 2.0-2.8 במפרק | 200-600 |
| הכל-צינור ללא תפרים של PTFE | אַף לֹא אֶחָד | 1.0 (אחיד) | >100,000 (אין ריתוכים שיכשלו) |
גורמי ריכוז מתח מניתוח אלמנטים סופיים של גיאומטריות סליל טבילה טיפוסיות. נתוני חיי מחזור ממחקרי עייפות שפורסמו ודוחות כשל בשטח.
היתרון של כל-בניית PTFE
צינורות מחליף חום PTFE מיוצרים על ידי שחול הדבק, יצירת אורכים רציפים ללא תפרים. אין ריתוכים, אין חיבורים ואין אי רציפות מתכות לאורך הצינור. החומר הומוגני מקצה לקצה.
התפשטות תרמית ב-PTFE גבוהה יותר מאשר במתכות, תכונה הנחשבת בדרך כלל לאתגר עיצובי. עם זאת, הגמישות של החומר מאפשרת התרחבות זו באמצעות דפורמציה אלסטית ולא הצטברות מתח. צינור PTFE נתמך כהלכה מתרחב ומתכווץ בחופשיות עם שינויי טמפרטורה. לא מתפתחים ריכוזי מתח מקומיים מכיוון שאין אי רציפות גיאומטריות או מתכות.
עמידות העייפות של PTFE תחת עומס מחזורי עולה בהרבה על זו של מתכות בטווח המתח האופייני להתפשטות תרמית. צינורות PTFE שנבדקו תחת כיפוף חוזר ונשנה באמפליטודות מתח השקולות להתפשטות תרמית חורגים באופן שגרתי מ-100,000 מחזורים ללא תקלה. בפעולות ציפוי וכבישה רגילות, זה מתורגם לעשרות שנות שירות ללא חששות עייפות תרמית.
תמיכה בעיצוב ענייני
כל-בניית ה-PTFE מבטלת כשלים הקשורים לריתוך-, אך תכנון תמיכה נכון מבטיח את מימוש חיי העייפות המלאים. תומכים חייבים לאפשר תנועה צירית חופשית של צינורות במהלך התרחבות והתכווצות תרמית. הידוק קשיח המגביל את ההתרחבות יכול ליצור מתחי כיפוף מקומיים שמתרכזים בנקודת ההידוק.
מחליפי חום PTFE נתמכים בדרך כלל על ידי לוחות הנחייה מחורצים המיוצרים מ-PTFE מוצק או PVDF. החריצים הם בגודל עם מרווח כדי לאפשר תנועה צירית תוך שמירה על מרווח צינורות להעברת חום. שיטת תמיכה זו מבטלת את ריכוז המתח של המפרק-מהדק שיכול להתרחש עם מסגרות תמיכה מתכתיות.
תוצאות שדה מפעולת כבישה אצווה
קו כבישה מפלדה הפועל באצווה-באופן מחזורי טמפרטורה בין סביבה ל-75 מעלות החליף סלילי חימום מרותכים מטיטניום שנכשלו שוב ושוב בתפרי הריתוך. חיי הסליל הממוצעים היו 11 חודשים, כאשר כל הכשלים מקורם בסדקים שהתחילו באזורים-מושפעים בחום הסמוכים לריתוכים.
כל-מחליפי החום של PTFE הותקנו עם לוחות הנחיה PTFE בגודל להתפשטות תרמית חופשית. לאחר ארבע שנים של שירות רכיבה תרמי זהה, סלילי ה-PTFE לא הראו סימני סדקים, ללא דליפה וביצועי העברת חום יציבים. הבנייה החלקה ביטלה את מצב הכשל היחיד שהגביל את חיי השירות של הסלילים הקודמים.
תַקצִיר
מחליפי חום מתכתיים מרותכים מרכזים מתח עייפות תרמית בתפרי ריתוך, שבהם הבדלים מיקרו-מבניים וחוסר המשכיות גיאומטריות יוזמים סדקים. תחת מחזוריות תרמית חוזרת ונשנית האופיינית לפעולות ציפוי וכבישה אצווה, סדקים אלו מתפשטים לדליפה תוך מאות מחזורים.
כל-מבנה מחליף החום של PTFE מבטלת את מצב הכשל הזה. צינורות שחול ללא תפרים אינם מכילים ריתוכים, ללא אי-רציפות מתכתיים וללא אתרי ריכוז מתח. גמישות החומר מאפשרת התרחבות תרמית מבלי לצבור נזקי עייפות. עיצוב תמיכה נכון מבטיח תנועה חופשית, ומונע ריכוז מתח בנקודות תמיכה.
עבור פעולות אצווה שחוות כשלים במחליף חום-של ריתוך, ניתוח הנדסי עבור כל-גודל סליל ללא תפר של PTFE זמין עם הגשת טווח טמפרטורת הפעלה, תדירות מחזור, כימיה של אמבטיה וממדי מיכל.
