Uno scambiatore a piastra tubiera fissa ha funzionato per circa 18 mesi prima che apparisse una piccola perdita all'uscita del fascio. L'ispezione non ha riscontrato corrosione nella piastra tubiera e tubi integri, ma il centro della piastra tubiera si era visibilmente gonfiato e diversi giunti espansi nelle vicinanze si erano allentati. I certificati dei materiali e i registri di saldatura erano in ordine. Il problema non era la fabbricazione. Era la combinazione di carichi: la pressione differenziale, l'espansione termica differenziale e il carico dei bulloni si erano allineati nella stessa posizione, superando l'ipotesi su cui era stata verificata la piastra tubiera — la sola pressione.
Questo articolo non elenca le modalità di guasto. Risponde alle tre domande che gli ingegneri pongono in cantiere, e ogni risposta risale a una combinazione dei cinque carichi che agiscono su ogni piastra tubiera: pressione differenziale lato tubi e lato fascio, sollecitazione assiale e circonferenziale dovuta alla pressione, disadattamento dell'espansione termica, sollecitazione termica dovuta alla differenza di temperatura tra piastra tubiera e fascio, e carico dei bulloni della flangia.
Il sintomo è familiare: un rigonfiamento vicino al centro, una perdita al giunto tubo-piastra tubiera, una lenta perdita di precarico dei bulloni. Tre carichi si combinano per produrlo.
La pressione differenziale crea un carico di flessione trasversale, contrastato dalla rigidità flessionale della piastra tubiera e dai tubi come fondazione elastica. La differenza di temperatura tra piastra tubiera e fascio aggiunge un momento di flessione al bordo in quella giunzione, e i bulloni della flangia aggiungono un terzo attraverso la compressione della guarnizione. Agendo in una direzione, questi tre spingono la sollecitazione di flessione oltre il limite consentito; dove la piastra tubiera è troppo sottile per il carico combinato, la deflessione apre un percorso di perdita al giunto del tubo. Questo è il guasto in servizio più comune, un problema di spessore e combinazione di carichi, non di materiale.
Qui la piastra tubiera è intatta e i tubi sono il danno visibile: piegati, gonfiati al centro del fascio, a volte collassati l'uno contro l'altro. La causa è l'unico carico che un design a piastra tubiera fissa non può rilasciare.
Quando il fascio e i tubi funzionano a temperature materialmente diverse, si espandono diversamente. Un design a piastra tubiera fissa non può assorbire questa differenza tramite movimento relativo, quindi la converte in sollecitazione assiale nei tubi e nel fascio; oltre il valore critico di imbozzamento, i tubi si piegano. I design a testa flottante o a U la alleviano permettendo al fascio di muoversi. Il controllo che la rileva è un calcolo esplicito della sollecitazione assiale del tubo e dell'imbozzamento critico — la sola flessione della piastra tubiera non lo fa.
Il tubo scivola fuori dal foro della piastra tubiera, il giunto perde, l'estremità del tubo si trova sotto la faccia della piastra tubiera. La causa è la forza assiale sul tubo che supera la capacità di tenuta del giunto espanso.
Quella forza somma i carichi assiali dovuti alla pressione e all'espansione termica. Quando la somma supera la capacità del giunto, il tubo si sfila. Lo sfilamento è un problema di progettazione del giunto tanto quanto un problema di carico: la lunghezza di espansione, il grado di espansione, la geometria della scanalatura e lo spessore della parete del tubo determinano la forza di tenuta, e non è previsto dalla sollecitazione di flessione della piastra tubiera — richiede un controllo separato della capacità del giunto.
Per gli ingegneri di approvvigionamento e di progetto, la revisione si riduce a tre domande sul disegno: quale combinazione di carichi governa lo spessore della piastra tubiera, è stato verificato il caso di imbozzamento della piastra tubiera fissa e a quale carico assiale corrisponde la capacità del giunto? Quando quelle risposte esistono, il progetto di resistenza è verificabile, non solo plausibile.
La pressione differenziale, la sollecitazione termica di giunzione e il carico dei bulloni possono agire in una direzione; una piastra tubiera troppo sottile quindi si deflette e apre un percorso di perdita al giunto del tubo.
La differenza di temperatura tra fascio e tubo crea una sollecitazione assiale compressiva che le piastre tubiere fisse non possono rilasciare; oltre il valore critico di imbozzamento i tubi si piegano. I design a testa flottante e a U la alleviano.
La forza assiale dovuta alla pressione più l'espansione differenziale supera la capacità del giunto, determinata dalla lunghezza di espansione, dal grado di espansione, dalla geometria della scanalatura e dallo spessore della parete del tubo.
La pressione differenziale che interagisce con l'espansione differenziale: ognuna può essere accettabile da sola, ma insieme possono superare la sollecitazione di flessione o la capacità del giunto ammissibili.
