Penukar panas fixed-tubesheet beroperasi sekitar 18 bulan sebelum kebocoran kecil muncul di saluran keluar shell. Inspeksi tidak menemukan korosi pada tubesheet dan tabung utuh, tetapi bagian tengah tubesheet terlihat menggembung dan beberapa sambungan yang diperluas di dekatnya telah mengendur. Sertifikat material dan catatan pengelasan dalam urutan yang benar. Masalahnya bukan manufaktur. Itu adalah kombinasi beban: tekanan diferensial, ekspansi termal diferensial, dan beban baut telah sejajar di lokasi yang sama, dan melebihi asumsi yang diperiksa oleh tubesheet — hanya tekanan saja.
Artikel ini tidak mencantumkan modus kegagalan. Artikel ini menjawab tiga pertanyaan yang diajukan insinyur di lapangan, dan setiap jawaban kembali ke kombinasi dari lima beban yang bekerja pada setiap tubesheet: tekanan diferensial sisi tabung dan sisi shell, tegangan aksial dan hoop dari tekanan, ketidaksesuaian ekspansi termal, tegangan termal dari perbedaan suhu tubesheet-ke-shell, dan beban baut flensa.
Gejalanya sudah familiar: tonjolan di dekat bagian tengah, kebocoran pada sambungan tabung-ke-tubesheet, hilangnya pramuat baut secara perlahan. Tiga beban bergabung untuk menghasilkannya.
Tekanan diferensial menciptakan beban lentur transversal, yang ditahan oleh kekakuan lentur tubesheet dan oleh tabung sebagai fondasi elastis. Perbedaan suhu tubesheet-ke-shell menambahkan momen lentur tepi pada sambungan itu, dan baut flensa menambahkan yang ketiga melalui kompresi gasket. Bekerja dalam satu arah, ketiga tekanan lentur ini melewati batas yang diizinkan; di mana tubesheet terlalu tipis untuk beban gabungan, defleksi membuka jalur kebocoran pada sambungan tabung. Ini adalah kegagalan dalam layanan yang paling umum, masalah kombinasi ketebalan dan beban, bukan masalah material.
Di sini tubesheet utuh dan tabung adalah kerusakan yang terlihat: melengkung, menggembung di tengah bundel, terkadang runtuh satu sama lain. Penyebabnya adalah satu beban yang tidak dapat dilepaskan oleh desain fixed-tubesheet.
Ketika shell dan tabung berjalan pada suhu yang berbeda secara material, mereka mengembang secara berbeda. Desain fixed-tubesheet tidak dapat menyerap perbedaan itu dengan gerakan relatif, sehingga mengubahnya menjadi tegangan aksial pada tabung dan shell; di luar nilai tekuk kritis, tabung melengkung. Desain floating-head atau U-tube meredakannya dengan memungkinkan bundel bergerak. Pemeriksaan yang menangkapnya adalah perhitungan tegangan aksial tabung eksplisit dan tekuk kritis — hanya lentur tubesheet saja tidak cukup.
Tabung meluncur keluar dari lubang tubesheet, sambungan bocor, ujung tabung berada di bawah permukaan tubesheet. Penyebabnya adalah gaya aksial pada tabung melebihi kapasitas penahanan sambungan yang diperluas.
Gaya itu menjumlahkan beban aksial yang didorong oleh tekanan dan ekspansi termal. Ketika jumlahnya melebihi kapasitas sambungan, tabung terlepas. Pelepasan adalah masalah desain sambungan sebanyak masalah beban: panjang ekspansi, tingkat ekspansi, geometri alur, dan ketebalan dinding tabung menentukan gaya penahanan, dan itu tidak diprediksi oleh tegangan lentur tubesheet — itu membutuhkan pemeriksaan kapasitas sambungan terpisah.
Bagi insinyur pengadaan dan proyek, tinjauan tersebut berkurang menjadi tiga pertanyaan pada gambar: kombinasi beban mana yang mengatur ketebalan tubesheet, apakah kasus tekuk fixed-tubesheet telah diperiksa, dan beban aksial apa yang sesuai dengan kapasitas sambungan? Ketika jawaban-jawaban itu ada, desain kekuatan dapat diverifikasi, bukan hanya masuk akal.
Tekanan diferensial, tegangan termal sambungan, dan beban baut dapat bekerja dalam satu arah; tubesheet yang terlalu tipis kemudian melentur dan membuka jalur kebocoran pada sambungan tabung.
Perbedaan suhu shell-ke-tabung menciptakan tegangan kompresi aksial yang tidak dapat dilepaskan oleh tubesheet tetap; di luar nilai tekuk kritis, tabung melengkung. Desain floating-head dan U-tube meredakannya.
Gaya aksial dari tekanan ditambah ekspansi diferensial melebihi kapasitas sambungan, yang ditentukan oleh panjang ekspansi, tingkat ekspansi, geometri alur, dan ketebalan dinding tabung.
Tekanan diferensial berinteraksi dengan ekspansi diferensial: masing-masing dapat diterima sendiri, tetapi bersama-sama dapat melebihi tegangan lentur yang diizinkan atau kapasitas sambungan.
