Ein Festrohrplattenwärmetauscher lief etwa 18 Monate, bevor ein kleines Leck am Mantelablauf auftrat. Die Inspektion ergab keine Korrosion in der Rohrbodenplatte und intakte Rohre, aber die Mitte der Rohrbodenplatte hatte sich sichtbar gewölbt und mehrere davon gelockerte Spannverbindungen. Materialzertifikate und Schweißprotokolle waren in Ordnung. Das Problem war nicht die Herstellung. Es war die Lastkombination: Differenzdruck, differentielle Wärmeausdehnung und Bolzenlast hatten sich an derselben Stelle ausgerichtet und überschritten die Annahme, gegen die die Rohrbodenplatte geprüft wurde — allein der Druck.
Dieser Artikel listet keine Ausfallmodi auf. Er beantwortet die drei Fragen, die Ingenieure vor Ort stellen, und jede Antwort führt auf eine Kombination der fünf Lasten zurück, die auf jede Rohrbodenplatte wirken: differenzieller Druck auf der Rohrseite und auf der Mantelstromseite, axiale und Umfangsspannung durch Druck, Wärmeausdehnungsmissverhältnis, thermische Spannung durch Temperaturunterschied zwischen Rohrbodenplatte und Mantel sowie Flanschbolzenlast.
Das Symptom ist vertraut: eine Wölbung nahe der Mitte, ein Leck an der Rohr-Rohrbodenplatten-Verbindung, ein langsamer Verlust der Bolzenvorspannung. Drei Lasten kombinieren sich, um dies zu erzeugen.
Differenzdruck erzeugt eine transversale Biegebelastung, der die Biegesteifigkeit der Rohrbodenplatte und die Rohre als elastische Grundlage widerstehen. Der Temperaturunterschied zwischen Rohrbodenplatte und Mantel fügt an dieser Verbindung ein Randbiegemoment hinzu, und Flanschbolzen fügen durch Dichtungskompression eine dritte hinzu. In einer Richtung wirkend, überschreiten diese drei Biegespannungen die zulässige Grenze; wo die Rohrbodenplatte für die kombinierte Last zu dünn ist, öffnet die Durchbiegung einen Leckweg an der Rohrverbindung. Dies ist der häufigste Ausfall im Betrieb, ein Problem der Dicke und Lastkombination, kein Materialproblem.
Hier ist die Rohrbodenplatte intakt und die Rohre sind die sichtbaren Schäden: gebogen, in der Mitte des Bündels gewölbt, manchmal kollabiert. Die Ursache ist die eine Last, die ein Festrohrplattendesign nicht freigeben kann.
Wenn Mantel und Rohre bei deutlich unterschiedlichen Temperaturen laufen, dehnen sie sich unterschiedlich aus. Ein Festrohrplattendesign kann diese Differenz nicht durch relative Bewegung absorbieren, so dass es sich in axiale Spannungen in Rohren und Mantel umwandelt; jenseits des kritischen Knickwertes biegen sich die Rohre. Schwimmkopf- oder U-Rohr-Designs entlasten dies, indem sie die Bewegung des Bündels zulassen. Die Prüfung, die dies erkennt, ist eine explizite Berechnung der axialen Rohrspannung und der kritischen Knicklast — die reine Rohrbodenplattenbiegung allein reicht nicht aus.
Das Rohr rutscht aus dem Loch der Rohrbodenplatte, die Verbindung leckt, das Rohrende sitzt unterhalb der Rohrbodenplattenoberfläche. Die Ursache ist eine axiale Kraft auf das Rohr, die die Haltekapazität der Spannverbindung überschreitet.
Diese Kraft summiert die druckgetriebenen und wärmeausdehnungsbedingten axialen Lasten. Wenn die Summe die Verbindungskapazität überschreitet, zieht sich das Rohr heraus. Der Auszug ist ebenso ein Problem des Verbindungsdesigns wie ein Lastproblem: die Ausdehnungslänge, der Ausdehnungsgrad, die Rillengeometrie und die Wandstärke des Rohrs bestimmen die Haltekraft, und sie wird nicht durch die Biegespannung der Rohrbodenplatte vorhergesagt — sie erfordert eine separate Prüfung der Verbindungskapazität.
Für Einkaufs- und Projektierungsingenieure reduziert sich die Überprüfung auf drei Fragen auf der Zeichnung: welche Lastkombination bestimmt die Dicke der Rohrbodenplatte, wurde der Knickfall bei Festrohrplattenwärmetauschern geprüft und welcher axialen Last entspricht die Verbindungskapazität? Wenn diese Antworten vorliegen, ist die Festigkeitsauslegung überprüfbar, nicht nur plausibel.
Differenzdruck, thermische Spannung an der Verbindung und Bolzenlast können in eine Richtung wirken; eine zu dünne Rohrbodenplatte biegt sich dann durch und öffnet einen Leckweg an der Rohrverbindung.
Der Temperaturunterschied zwischen Mantel und Rohr erzeugt eine axiale Druckspannung, die Festrohrplatten nicht freigeben können; jenseits des kritischen Knickwertes biegen sich die Rohre. Schwimmkopf- und U-Rohr-Konstruktionen entlasten dies.
Axiale Kraft aus Druck plus differentieller Ausdehnung überschreitet die Verbindungskapazität, die durch Ausdehnungslänge, Ausdehnungsgrad, Rillengeometrie und Wandstärke des Rohrs bestimmt wird.
Differenzdruck, der mit differentieller Ausdehnung interagiert: Jeder für sich mag akzeptabel sein, aber zusammen können sie die zulässige Biegespannung oder die Verbindungskapazität überschreiten.
