מהו הפרש הלחץ המרבי המותר עבור צינור טיטניום דק-במעטפת-ו-מחליף חום?

החוזק הגבוה של טיטניום אומר שאפילו צינור דק מאוד יכול לעכב לחץ משמעותי. אבל מחליף חום הוא לא רק כלי לחץ-זה מבנה דינמי. הלחץ ההפרש המרבי שצינור טיטניום דק יכול לעמוד בו נקבע על ידי יותר מסתם חישוב פרץ. הבנת המחליף חום בהפרש לחץ צינור טיטניוםמגבלה מחייבת בחינת שלמות המפרק, עייפות תרמית וקריסת לחץ חיצוני, לא רק את יכולת הלחץ של הצינור.

חוזק ההתפרצות של צינורות טיטניום דופן דקה

טיטניום מציע יחס חוזק למשקל מצוין. צינור דק דופן-לדוגמה, עם עובי דופן של 0.5 מ"מ או 0.7 מ"מ וקוטר חיצוני טיפוסי של 19 מ"מ או 25 מ"מ-יכול לעמוד בלחצים פנימיים גבוהים להפליא. שימוש בטיטניום טהור בדרגה 2 מסחרית, לחץ הפריצה עולה לרוב על 50 בר (725 psi) עבור קירות דקים כאלה. לחץ ההתפרצות התיאורטי מחושב מנוסחת מתח החישוק:

�burst=2⋅�ult⋅���−�Pburst​=Do​−t2⋅σult​⋅t​

כאשר התוצאה עבור טיטניום דרגה 2 היא בערך 345 MPa (50,000 psi). דופן של 0.7 מ"מ בצינור של 19 מ"מ OD מניב לחץ פרץ הרבה מעל 50 בר. עם זאת, מספר זה מטעה כמגבלה הפעלה מכיוון שמחליף החום הוא יותר מסט של צינורות מבודדים.

מגבלות מעשיות: מפרק צינור לצינור

דופן הצינור נכנע, אבל המפרק נשלף ראשון. הפרש הלחץ המרבי המעשי מוכתב כמעט תמיד על ידי החיבור בין הצינור ליריעת הצינור. קירות דקים מספקים מעט מאוד משטח נושא עבור ריתוך איטום או מפרק מכני מורחב.

עבור מפרקים מורחבים (מגולגלים).

צינור דק בעל קשיחות רדיאלית נמוכה. כאשר מורחבים לתוך חור יריעת צינור, לחץ המגע המתנגד לשליפה מוגבל. בלחץ פנימי גבוה, קצה הצינור חווה כוח צירי השווה ללחץ מוכפל בשטח הקדח בחתך הרוחב של הצינור. עבור מחליפי טיטניום דקים נפוצים, חוזק המשיכה מגביל בדרך כלל את הלחץ ההפרש ל-6-10 בר (87-145 psi), למרות שהצינור עצמו יכול לעמוד ב-50 בר. עם הזמן, מחזורי התרחבות תרמית בין הצינור ליריעת הצינורות יכולים להרגיע את התאמת ההפרעות, ולהפחית עוד יותר את חוזק המפרק.

עבור מפרקים מרותכים

ריתוך אטום בקצה הצינור מספק מחסום אטום לדליפה, אך הריתוך עצמו אינו מוסיף התנגדות לשליפה צירית אלא אם מתוכנן ריתוך בחוזק מלא עם פילה או הקרנה מקצה הצינור. קשה לרתך קירות דקים ללא צריבה, ולכן מחליפי טיטניום רבים משתמשים בריתוך אטום קטן בשילוב עם מפרק מגולגל. הריתוך עשוי למנוע דליפה, אך העומס המכני עדיין נישא על ידי המפרק המורחב. לפיכך חלה אותה מגבלת לחץ.

לחץ חיצוני: קריסת ואקום

צינור טיטניום עם דופן דקה פגיע הרבה יותר ללחץ חיצוני (כלומר ואקום בצד המעטפת) מאשר ללחץ פנימי. ללא תמיכה פנימית, לחץ דיפרנציאלי נמוך כמו 1-3 בר מבחוץ עלול לגרום לקריסה אלסטית (נקימה) של צינור קיר בגודל 0.5 מ"מ. לחץ ההתמוטטות תלוי בסגלגלות הצינור, באחידות הקיר ובנוכחות של תומכים (בלבולים). מחליפי חום טיטניום דקים רבים מדורגים אפוא לשואקום מלא רק כאשר דופן הצינור הוא 0.7 מ"מ או יותר וכאשר מרווח בין הבלבול קרוב מספיק. יש להתייעץ עם דירוג הלחץ החיצוני של היצרן לפני הפעלת שירות ואקום.

עייפות תרמית והתפרקות הידרידית

טיטניום רגיש להתפרקות הידריד בטמפרטורות גבוהות (בדרך כלל מעל 70-80 מעלות) אם מימן קיים בנוזל התהליך או בסביבה. ספיגת מימן יכולה להתרחש אפילו בטמפרטורות מתונות כאשר הגנה קתודית או צימוד גלווני מיושמים בצורה לא נכונה. היווצרות הידריד הופכת את הטיטניום לשביר, ומפחיתה באופן דרסטי את חוזק ההתפרצות והעייפות שלו. כתוצאה מכך, יש להפחית את הפרש הלחץ המרבי המותר בטמפרטורות גבוהות יותר, ויש לשלוט בכימיה הנוזלית כדי למנוע יצירת מימן.

הבדלי התפשטות תרמית בין צינורות טיטניום ויריעת צינורות פלדה או טיטניום מטילים מתחים מחזוריים על מפרק קצה הצינור. כל מחזור חימום והתקררות משחרר מעט את המפרקים המורחבים ויכול לעייף קצוות של צינורות דקים ליד הריתוך. קודי עיצוב כגון ASME Section VIII, Division 1 או Division 2, יחד עם תקני TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), מספקים כללים לחישוב הלחץ ההפרש המותר כולל שיקולי עייפות. רוב היצרנים ידרגו את מחליפי הטיטניום הדקיקים שלהם עבור לחץ ספציפי בטמפרטורה נתונה ועבור מספר סופי של מחזורים תרמיים.

טווחי דירוג נפוצים עבור מחליפי טיטניום עם קיר דק

בהתבסס על פרקטיקה בתעשייה, הפרשי לחץ מקסימליים מותרים עבור צינורות טיטניום דקים (דופן 0.5-0.9 מ"מ, 19-25 מ"מ OD) במחלפי חום של מעטפת וצינורות הם:

לחץ פנימי (צד הצינור גבוה יותר מצד המעטפת):6–10 בר (85–145 psi) עבור חיבורים מרותכים מגולגלים ואטומים. חיבורים מרותכים בחוזק מלא יכולים להעלות את זה ל-20-30 בר, אך ריתוכים כאלה נדירים בקירות דקים.

לחץ חיצוני (צד המעטפת גבוה יותר או ואקום בצד הצינור):הבדל מוחלט של 1–3 בר, כאשר ואקום מלא דורש עיצוב ייעודי בדירוג ואקום.

לחץ בדיקה הידרוסטטי:בדרך כלל 1.3× הלחץ המתוכנן, אך לעולם לא חורג מהתחתון של מגבלת התפרצות הצינור או מגבלת נסיגת המפרק.

לחץ עיצובי הוא תכונה של מערכת, לא רק תכונה של צינור. אין לחרוג מהדירוג של לוחית השם על מחליף חום טיטניום-שמשקף את המגבלה הגרועה ביותר בין הצינורות, יריעת הצינור, המעטפת והחיבורים-. מחליף שמתנגד פיזית ל-50 בר בפנים עשוי להיות בעל דירוג של לוחית שם של 6 בר בלבד בגלל עיצוב המפרק.

תאימות לקוד ומרווחי בטיחות

ASME Section VIII (או קודים בינלאומיים מקבילים כגון EN 13445) חל על מחליפי חום טיטניום. קודים אלה דורשים גורם עיצובי (בדרך כלל 3.5 עד 4.0 על לחץ פרץ עבור חומרים לא ברזליים). לכן לחץ העבודה המותר נמוך בהרבה מלחץ ההתפרצות. בנוסף, הקוד מחייב את הכשרת המפרק על ידי בדיקה. עבור טיטניום עם דופן דק, תהליך הייצור הוא קריטי: גלגול יתר עלול לסדוק את הצינור, בעוד שגלגול נמוך מייצר התנגדות בלתי מספקת למשיכה החוצה.

הדרכה מעשית למהנדסים

בעת בחירה או הפעלה של מחליף חום טיטניום עם מעטפת וצינור דק, יש לבצע את הצעדים הבאים:

השג את עקומת דירוג הלחץ לטמפרטורת הלחץ של היצרן- עקומה זו משלבת שלמות מפרקים, קריסת לחץ חיצוני וירידה בחומר בטמפרטורות גבוהות.

בדוק אם יש חשיפה למימן- אם הנוזל בצד המעטפת או בצד הצינור מכיל מימן או יכול לייצר אותו באמצעות קורוזיה (למשל, מניקוי חומצי), ייתכן שיהיה צורך בדירוג לחץ נמוך יותר או חומר אחר (למשל, טיטניום דרגה 7 עם פלדיום).

הגבל רכיבה תרמית- עצירות התחלה תכופות מאיצות את עייפות המפרקים; יש לדרג את המחליף למספר הצפוי של מחזורים.

לעולם אל תחרוג מהלחץ ההפרש של לוחית השם- גם אם הצינורות נראים לא פגומים, חריגה ממגבלת המפרק עלולה למשוך צינור מתוך יריעת הצינור, ולגרום לערבוב קטסטרופלי של נוזלי מעטפת וצינורות.

מסקנה: החוליה החלשה ביותר קובעת את הבטיחות

אמנם חוזק הדופן הדק של הטיטניום מרשים, אבל הפרש הלחץ התפעולי הבטוח עבור מחליף חום של מעטפת וצינור הוא תערובת מורכבת של שלמות מפרקים, עייפות, התנגדות לקריסה חיצונית ומגבלות קוד-נמוכות בעקביות מחוזק הפריצה של הצינור. המקסימום המותרמחליף חום בהפרש לחץ צינור טיטניוםהדירוג הוא רק לעתים רחוקות מעל 10 בר עבור קירות דקים מרותכים מגולגלים ואטומים, למרות שהצינור לבדו מסוגל ללחץ פי חמישה. שולי בטיחות בתכנון בנויים על החוליה החלשה ביותר. במחליף חום טיטניום דק, הקישור הזה הוא כמעט תמיד המפרק בין צינור לצינור, לא דופן הצינור עצמו. כיבוד הגבול הזה מבטיח פעולה ארוכה וללא תקלות ביישומים תובעניים קורוזיביים ובעלי טוהר גבוה.