مبادل ذو أنابيب ثابتة يعمل لمدة 18 شهرًا تقريبًا قبل ظهور تسرب طفيف عند مخرج الغلاف. وجد الفحص عدم وجود تآكل في لوحة الأنابيب والأنابيب سليمة، لكن مركز لوحة الأنابيب قد انتفخ بشكل واضح وتفككت عدة وصلات موسعة بالقرب منه. شهادات المواد وسجلات اللحام كانت سليمة. المشكلة لم تكن في التصنيع. كانت مزيج الأحمال: الضغط التفاضلي، التمدد الحراري التفاضلي، وحمل مسمار الربط قد تجمعت في نفس الموقع، وتجاوزت الافتراض الذي تم التحقق منه للوحة الأنابيب - الضغط وحده.
لا تسرد هذه المقالة أوضاع الفشل. إنها تجيب على الأسئلة الثلاثة التي يطرحها المهندسون في الموقع، وكل إجابة تعود إلى مزيج من الأحمال الخمسة التي تؤثر على كل لوحة أنابيب: الضغط التفاضلي من جانب الأنبوب وجانب الغلاف، الإجهاد المحوري والإجهاد الحلقي الناتج عن الضغط، عدم تطابق التمدد الحراري، الإجهاد الحراري الناتج عن فرق درجة الحرارة بين لوحة الأنابيب والغلاف، وحمل مسمار الشفة.
العرض مألوف: انتفاخ بالقرب من المركز، تسرب عند وصلة الأنبوب بلوحة الأنابيب، فقدان بطيء للحمل المسبق للمسمار. ثلاثة أحمال تتحد لإنتاج ذلك.
يخلق الضغط التفاضلي حمل انحناء عرضي، تقاومه صلابة انحناء لوحة الأنابيب والأنابيب كأساس مرن. يضيف فرق درجة الحرارة بين لوحة الأنابيب والغلاف عزم انحناء حافة عند هذا التقاطع، وتضيف مسامير الشفة ثالثًا من خلال ضغط الحشية. تعمل هذه الثلاثة في اتجاه واحد، وتدفع إجهاد الانحناء إلى ما وراء المسموح به؛ حيث تكون لوحة الأنابيب رقيقة جدًا للحمل المجمع، يفتح الانحراف مسار تسرب عند وصلة الأنبوب. هذا هو الفشل الأكثر شيوعًا أثناء الخدمة، مشكلة سمك ومزيج أحمال، وليست مشكلة مادة.
هنا لوحة الأنابيب سليمة والأنابيب هي الضرر المرئي: منحنية، منتفخة في منتصف الحزمة، وأحيانًا منهارة على بعضها البعض. السبب هو الحمل الوحيد الذي لا يمكن لتصميم المبادل ذي الأنابيب الثابتة تحريره.
عندما يعمل الغلاف والأنابيب في درجات حرارة مختلفة ماديًا، فإنها تتمدد بشكل مختلف. لا يمكن لتصميم المبادل ذي الأنابيب الثابتة استيعاب هذا الاختلاف عن طريق الحركة النسبية، لذا فإنه يتحول إلى إجهاد محوري في الأنابيب والغلاف؛ ما وراء قيمة الانحناء الحرجة تنحني الأنابيب. تخفف تصاميم الرأس العائم أو الأنابيب على شكل حرف U ذلك بالسماح للحزمة بالحركة. الفحص الذي يلتقط ذلك هو حساب صريح للإجهاد المحوري للأنبوب والانحناء الحرج - انحناء لوحة الأنابيب وحده لا يفعل ذلك.
ينزلق الأنبوب خارج فتحة لوحة الأنابيب، تتسرب الوصلة، ويقع طرف الأنبوب أسفل وجه لوحة الأنابيب. السبب هو القوة المحورية على الأنبوب التي تتجاوز قدرة الاحتفاظ للوصلة الموسعة.
تجمع تلك القوة الأحمال المحورية الناتجة عن الضغط والتمدد الحراري. عندما يتجاوز المجموع قدرة الوصلة، ينفصل الأنبوب. الانفصال هو مشكلة تصميم وصلة بقدر ما هو مشكلة حمل: طول التمدد، درجة التمدد، هندسة الأخدود وسمك جدار الأنبوب تحدد قوة الاحتفاظ، ولا يتنبأ بها إجهاد انحناء لوحة الأنابيب - إنها تحتاج إلى فحص منفصل لقدرة الوصلة.
بالنسبة لمهندسي المشتريات والمشاريع، يقلل المراجعة إلى ثلاثة أسئلة على الرسم: أي مزيج أحمال يحكم سمك لوحة الأنابيب، هل تم فحص حالة الانحناء للمبادل ذي الأنابيب الثابتة، وما هو الحمل المحوري الذي تتوافق معه قدرة الوصلة؟ عندما توجد تلك الإجابات، يكون تصميم القوة قابلاً للتحقق، وليس مجرد معقول.
يمكن أن يعمل الضغط التفاضلي، والإجهاد الحراري عند التقاطع، وحمل المسمار في اتجاه واحد؛ لوحة أنابيب رقيقة جدًا تنحرف بعد ذلك وتفتح مسار تسرب عند وصلة الأنبوب.
يخلق فرق درجة الحرارة بين الغلاف والأنبوب إجهادًا محوريًا ضاغطًا لا تستطيع الأنابيب الثابتة تحريره؛ ما وراء قيمة الانحناء الحرجة تنحني الأنابيب. تخفف تصاميم الرأس العائم والأنابيب على شكل حرف U ذلك.
القوة المحورية الناتجة عن الضغط بالإضافة إلى التمدد التفاضلي تتجاوز قدرة الوصلة، التي تحددها طول التمدد، ودرجة التمدد، وهندسة الأخدود، وسمك جدار الأنبوب.
الضغط التفاضلي المتفاعل مع التمدد التفاضلي: قد يكون كل منهما مقبولاً بمفرده، ولكن معًا يمكن أن يتجاوز إجهاد الانحناء المسموح به أو قدرة الوصلة.
