Comment sélectionner la conception correcte du joint de dilatation pour une coque d'échangeur à plaque tubulaire fixe en PTFE ?

Un échangeur de chaleur fixe en PTFE à plaque tubulaire-est mécaniquement simple et souvent économiquement intéressant, mais sa conception implique un conflit thermique fondamental. Les tubes en PTFE se dilatent fortement lorsque la température augmente, mais la coque en acier environnante se dilate très peu. Si le mouvement est limité, le décalage peut provoquer d’énormes contraintes axiales. Une partie de l'échangeur doit se plier pour absorber cette dilatation différentielle. La réponse est un joint de dilatation à soufflet métallique soudé dans la coque - un segment flexible en forme d'accordéon-qui se dilate et se contracte lorsque le faisceau de tubes en PTFE respire thermiquement pendant le fonctionnement.

L'ensemble soufflet est le composant mécanique le plus important de tout le système d'échangeur pour toute sélection d'échangeur en PTFE à plaque tubulaire fixe avec joint de dilatation.

Pourquoi des joints de dilatation sont nécessaires sur les échangeurs PTFE
Expansion thermique extrême du PTFE
Le coefficient de dilatation thermique du PTFE est beaucoup plus élevé que celui de l'acier au carbone ou de l'acier inoxydable. Les tubes en PTFE peuvent se dilater plusieurs fois plus que la coque qui les entoure en fonction des changements de température de fonctionnement.

Sans système de rémunération flexible, des problèmes importants peuvent survenir :

Distorsions dans la plaque tubulaire

Rupture de tube

Forces axiales excessives

Casser la coquille

Fatigue des soudures

Échecs de fuite

Le joint de dilatation est la zone de mouvements contrôlés et ne permet pas la concentration des contraintes thermiques dans le corps de l'échangeur.

Le soufflet comme limite de pression flexible
Les soufflets sont les poumons métalliques de l'échangeur, respirant et expirant à chaque cycle thermique, tout en maintenant l'intégrité de la barrière de pression. Tant qu'il y a une flexibilité appropriée, le faisceau de tubes en PTFE peut se dilater et se contracter naturellement sans-stresser excessivement la coque.

Cette adaptabilité doit être conçue délibérément, plutôt que imitée avec un équipement de tuyauterie générique.

Critères de conception clés pour le choix des joints de dilatation
Course complète sur l'axial
Le paramètre le plus critique dans le dimensionnement des joints de dilatation est la capacité à se déplacer axialement. Les soufflets doivent s'adapter en toute sécurité à la dilatation thermique totale estimée due aux tubes en PTFE sur toute la plage de température de fonctionnement.

Les calculs de conception typiques prennent en compte :

Longueur du tube

Coefficient de dilatation thermique du PTFE

Différences de température de démarrage

Contraction à l'arrêt

Situation de perturbation du processus

Température de conception maximale (MDT)

Un trajet trop court peut étirer excessivement le soufflet ou provoquer une défaillance par fatigue de compression.

Pourquoi nous aimons les soufflets-à paroi simple-épais
Exigences de résistance à la pression
Pour les échangeurs fixes-à plaques tubulaires en PTFE, les soufflets sont soumis à une pression interne de la coque mais sont également capables de bouger. Les soufflets fins et multicouches, comme ceux souvent utilisés dans les systèmes de tuyauterie basse pression, peuvent ne pas être suffisamment solides à cet effet.

Pour cette raison, des conceptions de soufflets à une seule couche-à paroi épaisse-sont souvent adoptées.

Les avantages comprennent :

Résistance structurelle accrue

Meilleur confinement de la pression

Augmentation de la tolérance à la corrosion

Meilleure gestion de la résistance aux dommages

Faible sensibilité à la séparation des plis

L'ensemble soufflet n'est pas seulement un connecteur flexible. Il s'agit d'une section d'un récipient sous pression qui est simultanément soumise à des charges de chaleur, de pression et de fatigue.

Sélection du matériau du soufflet
Pourquoi l'acier inoxydable 316L est si courant
Le matériau le plus populaire pour les soufflets de coque d'échangeur est l'acier inoxydable 316L car il offre un mélange de :

Résistance à la corrosion

Compétences en soudage

Caractéristiques de fatigue

Disponibilité:

Flexibilité mécanique

La résistance à la corrosion atmosphérique est alors un facteur crucial car les soufflets se trouvent normalement du côté de la coque externe plutôt qu'en contact direct avec des produits chimiques agressifs.

Risques de corrosion externe
L’environnement de l’usine où se trouvent les soufflets peut les exposer à :

Vapeurs acides

Sel-forte humidité

Laver les produits chimiques

* Procédure en cas de déversement

Contamination par du chlorure

En particulier, les traces de chlorures sont très nocives car elles peuvent provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte externe des soufflets en acier inoxydable sous contrainte de traction.

Le processus de sélection des matériaux doit donc prendre en compte à la fois le processus de travail et l'exposition environnementale autour de l'installation de l'échangeur.

Conception de la durée de vie en fatigue et de la convolution
Le rôle de la géométrie de convolution
Les convolutions sont les ondulations qui se compriment et s'étendent avec le mouvement de la chaleur pour créer la flexibilité du soufflet.

La conception doit comprendre :

Nombre de circonvolutions

Hauteur de convolution

Forme du terrain

Épaisseur des murs

Constante du ressort axial

Trop peu de circonvolutions peuvent entraîner une rigidité excessive et trop de circonvolutions peuvent entraîner une capacité de pression et une résistance à la fatigue moindres.

Problèmes de cycle thermique
Les échangeurs qui subissent de nombreux démarrages, arrêts ou conditions de traitement par lots sont soumis à des cycles de température répétés provoquant une contrainte cyclique sur le matériau du soufflet.

Pour les applications à -cycles élevés, des conceptions de soufflets résistants à la fatigue sont nécessaires.

D'autres mesures techniques peuvent inclure :

Forme optimisée de la convolution

Zones de concentration de stress réduites

Contrôle amélioré de la qualité des soudures

Restrictions de mouvement

Sections de colliers renforcés

La rupture par fatigue se produit généralement progressivement par l'initiation de fissures au niveau des racines de convolution fortement sollicitées.

Conformité aux normes EJMA et ASME
Critères de conception EJMA
Les joints de dilatation des coques d'échangeurs sous pression doivent être conçus conformément aux critères spécifiés par l'Association des fabricants de joints de dilatation (EJMA).

L’approche EJMA fournit des suggestions concernant :

Calcul des contraintes

Analyse de la fatigue

Pression nominale

Restrictions de mouvement

Prédiction de la force du ressort

Prédiction du cycle de vie

ASME Annexe 26
Dans les applications d'appareils sous pression, l'annexe 26 de l'ASME peut également guider la conception du soufflet et permettre l'évaluation des contraintes.

L'utilisation de codes de conception établis permet de garantir que le joint de dilatation est considéré comme un composant de pression entièrement conçu et non comme un accessoire.

Protection des soufflets contre les dommages mécaniques
L’importance des carénages externes
Les dommages mécaniques externes aux circonvolutions du soufflet dus aux outils, à la circulation piétonnière, aux chutes d'objets ou aux travaux de maintenance peuvent entraîner une vulnérabilité.

Le groupe à soufflet doit donc être équipé d'une enveloppe de protection externe.

Le carénage protège contre :

Dommages dus à l'impact

Déformation accidentelle

Accumulation de débris

Exposition aux intempéries

Contact personnel.

La protection physique est essentielle pour la fiabilité à long terme, car de petites bosses ou déformations peuvent réduire considérablement la durée de vie en fatigue.

Pourquoi-Les-joints de dilatation des étagères ne fonctionnent pas ?
Exigences d'ingénierie personnalisées
Un échangeur fixe-à plaque tubulaire en PTFE conduit à des conditions de chargement très spécialisées :

Déplacement thermique élevé

Pression "

Chargement cyclique

Exposition à un environnement corrosif

Secouage mécanique

Les joints de dilatation de tuyauterie disponibles dans le commerce--sont rarement adéquats en service, car ils ne sont pas destinés à répondre aux exigences combinées de mouvement et de pression du service d'échangeur PTFE.

Au lieu de cela, chaque ensemble de soufflet doit être construit pour s'adapter à la géométrie et aux conditions de fonctionnement de l'échangeur.

Résumé
Le joint de dilatation est un lien flexible ingénieux qui surmonte le dilemme de base du stress thermique avec un échangeur de chaleur fixe en PTFE à plaque tubulaire -. Le soufflet compense de manière sûre la grande différence de température entre les tubes en PTFE et la coque en acier environnante et évite les charges mécaniques dommageables sur l'échangeur tout en maintenant l'intégrité de la pression.

Le choix d'un échangeur à plaque tubulaire fixe en PTFE avec un joint de dilatation correctement dimensionné est le résultat d'un examen attentif de la capacité de déplacement axial, de l'épaisseur de la paroi, de la géométrie de convolution, de la résistance à la fatigue, de la résistance à la corrosion et du respect des normes de conception EJMA ou ASME. Une protection externe adéquate et une compatibilité environnementale sont tout aussi cruciales pour une durée de vie à long terme.

L'une des machines les plus fiables dans l'ingénierie des équipements thermiques est souvent celle qui est destinée à s'adapter à son propre mouvement interne avec grâce, plutôt que d'y résister avec rigidité.