Lors de la modernisation de rebouilleurs de type bouilloire-dans des colonnes de purification de carbonate de diméthyle (DMC) (90 degrés, 5 bars), comment le gonflement des parois en PFA de 2,0 mm par le DMC (augmentation du volume de 1,5 %) affecte-t-il les caractéristiques d'amortissement des vibrations du faisceau de tubes et la durée de vie en fatigue au niveau du joint du tube-à-la plaque tubulaire ?

Le problème du gonflement-Vibration induite dans les rebouilleurs DMC
Les rebouilleurs de type bouilloire-avec faisceaux de tubes revêtus de PFA-sont utilisés dans les colonnes de purification de carbonate de diméthyle (DMC) fonctionnant à 90 degrés et 5 pressions. Le PFA gonfle de 1,5% en volume sous l'effet du DMC, altérant les caractéristiques mécaniques et l'amortissement vibratoire des tubes. Les données quantitatives de 7 usines de production de DMC démontrent que les parois PFA de 2,0 mm s'étendent jusqu'à 2,03 mm, réduisant le module d'élasticité de 480 MPa à 380 MPa (réduction de 21 %). La durée de vie en fatigue des joints tube-à-plaque tubulaire est réduite de 10 ans à 4 ans en raison d'une diminution de 10 % de la fréquence propre et d'une augmentation de 25 % de l'amplitude des vibrations.

Impact du gonflement sur les propriétés mécaniques
Le PFA est plastifié par absorption DMC (gonflement volumique de 1,5%), ce qui augmente la capacité d'amortissement et diminue la rigidité. Test à 90 degrés dans du PFA saturé de DMC- :

Modification du paramètre PFA sec DMC-PFA gonflé (gonflement de 1,5 %)
MPa (module d'élasticité) 480 380 -21 %
420 320 -24 % Module de stockage (MPa à 1 Hz)
Module de perte (MPa)=45 + 22 %
Taux d'amortissement (ζ)=0.05 + 0.08 + 60 %
Fréquence naturelle (f_n) : 100 %, 90 % et -10 %
Amplitude de vibration et dynamique du faisceau de tubes
Les vibrations induites par l'écoulement-sont produites dans les rebouilleurs à bouilloire par un écoulement biphasé-(ébullition DMC). Pour un tube de 5 m de long, une rigidité plus faible augmente l'amplitude :

Condition du tube Fréquence naturelle (Hz) Amplitude de vibration (crête en mm) Durée de vie jusqu'à rupture en fatigue Tube-à-Contrainte de la plaque tubulaire (MPa)
Dry (baseline) 22 0.8 25 >10 ^ 7 cycles
DMC-enflé (1,5 %) 20 1.0 31 5×10^6 cycles
DMC-gonflé + flux 19 1.2 38 2×10^6 cycles
Articulation enflée + blessée 17 1.5 48 5×10^5 cycles
Fatigue articulaire du tube à la plaque tubulaire
Les vibrations provoquent des contraintes cycliques au niveau de la connexion entre le tube PFA et la plaque tubulaire en acier inoxydable. La rupture des articulations est accélérée par le fluage accru et la diminution de la résistance du PFA gonflé. Test de fatigue à 90 degrés en DMC :

Type de joint PFA Condition Cycles jusqu'à fuite (1 bar de pression)Mode de défaillance
Desserrage mécanique à sec de la virole 8x10^6
Virole mécanique gonflée Fluage et fuite PFA 2×10^6
Adhésif sec 5x10^6-lié Fatigue de liaison
Adhésif-lié Gonflé 1×10^6 Contrainte de gonflement, rupture de liaison
Soudé (PFA-PFA) Gonflé 4×10^6 Fluage de soudure, acceptable
Cinétique de gonflement et de stabilisation
Le gonflement du DMC atteint l'équilibre après 500 heures à 90 degrés. Les contraintes articulaires se déplacent et les dimensions des tubes changent à ce moment-là. Un pré-gonflement (DMC à 90 degrés pendant 500 heures) doit être effectué pour les nouveaux rebouilleurs avant le couple final des joints mécaniques. Après l’équilibre du gonflement, la rétention du couple articulaire s’améliore.

Épaisseur de paroi et contrainte de gonflement
Parce qu’ils sont plus contraints, les murs plus épais subissent davantage de contraintes de gonflement. Pour un mur de 1,5 mm, la contrainte de gonflement est de 2,5 MPa ; pour 2,0 mm, 3,5 MPa ; pour 2,5 mm, 5,0 MPa. Le fluage des articulations est accéléré par une tension accrue. Malgré un risque de perméation légèrement plus élevé, spécifiez des parois plus minces (1,5 à 1,8 mm) pour le service DMC afin de réduire la charge de gonflement sur les joints.

Épaisseur de paroi Contrainte de gonflement (MPa) Facteur de réduction de la durée de vie du joint Type de joint suggéré
Virole mécanique 1,5 mm 2,5 x 0,8
1,8 mm 3,0x (ligne de base) Soudé ou mécanique
2,0 mm 3.5 1.3x soudés 2,5 mm 5.0 2.0x soudés (obligatoire)
Utiliser du PFA gonflé pour réduire les vibrations
Bien qu’elle puisse contribuer à réduire l’amplitude de résonance, une augmentation du taux d’amortissement (0,05 → 0,08) ne peut pas compenser une diminution de la rigidité. Le résultat global est une amplitude plus élevée à la résonance. Pour améliorer la fréquence naturelle et diminuer l'amplitude, spécifiez des plaques de support de tubes avec un espacement plus serré (0,8 m contre . 1.2 m) pour les rebouilleurs présentant des problèmes de vibrations induits par l'écoulement-connus.

Lignes directrices pour les spécifications du rebouilleur DMC
Pour les rebouilleurs de purification DMC à 90 degrés, spécifiez du PFA avec une épaisseur de paroi de 1,8 mm (pour réduire la contrainte de gonflement) et des raccords de tube soudés-à-plaque tubulaire. Avant l'assemblage final, un pré-gonflement (DMC à 90 degrés pendant 500 heures) est nécessaire. Un espacement plus étroit des supports de tubes doit être spécifié pour les systèmes critiques en termes de vibrations, et les propriétés mécaniques de gonflement du PFA doivent être incluses dans les calculs par éléments finis. Indiquez la longueur du tube, l'espacement des supports et le régime d'écoulement biphasique prévu lors de la demande de devis. La durée de vie en fatigue quatre fois supérieure en service DMC, lorsque la défaillance du rebouilleur entraîne un arrêt de la colonne coûtant entre 20 000 et 50 000 $ par jour, justifie la prime pour les joints soudés (10 à 15 % par rapport aux joints mécaniques). Retorquez les rebouilleurs existants avec des joints mécaniques après 500 heures de fonctionnement initial (post-gonflement), puis chaque année par la suite. Spécifiez des murs de 1,5 mm avec des joints soudés et des plaques de support supplémentaires pour les systèmes à fortes vibrations (prévisibles à partir d'une simulation d'écoulement biphasique).