튜브시트가 부풀어 오르고 누출되며 튜브를 뽑아낸 이유는 무엇일까요? 엔지니어들이 실제로 묻는 세 가지 고장 질문

고정 튜브 시트 열 교환기는 쉘 배출구에서 약간의 누출이 발생하기 약 18개월 동안 작동했습니다. 검사 결과 튜브 시트에서 부식이 없고 튜브가 손상되지 않았지만, 튜브 시트 중앙이 눈에 띄게 부풀어 올랐고 그 근처의 여러 확장 조인트가 느슨해졌습니다. 재료 인증서와 용접 기록은 정상적이었습니다. 문제는 제조가 아니었습니다. 하중 조합이었습니다. 차압, 차등 열팽창 및 볼트 하중이 동일한 위치에 정렬되어 튜브 시트가 확인된 가정, 즉 압력만 초과했습니다.

이 기사에는 고장 모드가 나열되어 있지 않습니다. 현장에서 엔지니어가 묻는 세 가지 질문에 답하고 각 답변은 모든 튜브 시트에 작용하는 다섯 가지 하중의 조합으로 거슬러 올라갑니다. 튜브 측 및 쉘 측 차압, 압력으로 인한 축 및 후프 응력, 열팽창 불일치, 튜브 시트와 쉘 간의 온도 차이로 인한 열 응력, 플랜지 볼트 하중.

증상은 익숙합니다. 중앙 근처의 부풀어 오름, 튜브-튜브 시트 조인트의 누출, 볼트 예압의 느린 손실. 세 가지 하중이 결합되어 이를 생성합니다.

차압은 튜브 시트 굽힘 강성과 탄성 기초로서의 튜브에 의해 저항되는 횡방향 굽힘 하중을 생성합니다. 튜브 시트-쉘 간의 온도 차이는 해당 접합부에 가장자리 굽힘 모멘트를 추가하고 플랜지 볼트는 개스킷 압축을 통해 세 번째를 추가합니다. 한 방향으로 작용하는 이 세 가지는 굽힘 응력을 허용치를 초과하게 합니다. 튜브 시트가 결합된 하중에 비해 너무 얇은 곳에서는 변형이 튜브 조인트에서 누출 경로를 엽니다. 이것이 가장 일반적인 사용 중 고장이며, 재료 문제가 아니라 두께 및 하중 조합 문제입니다.

여기서 튜브 시트는 손상되지 않았고 튜브가 눈에 띄는 손상입니다. 번들 중앙에서 구부러지고 부풀어 오르며 때로는 서로 겹쳐집니다. 원인은 고정 튜브 시트 설계가 해제할 수 없는 한 가지 하중입니다.

쉘과 튜브가 상당히 다른 온도에서 작동하면 다르게 팽창합니다. 고정 튜브 시트 설계는 상대적인 움직임으로 이러한 차이를 흡수할 수 없으므로 튜브와 쉘의 축 응력으로 변환됩니다. 임계 좌굴 값을 초과하면 튜브가 구부러집니다. 플로팅 헤드 또는 U 튜브 설계는 번들이 움직이도록 허용하여 이를 완화합니다. 이를 포착하는 검사는 명시적인 튜브 축 응력 및 임계 좌굴 계산입니다. 튜브 시트 굽힘만으로는 충분하지 않습니다.

튜브가 튜브 시트 구멍에서 빠져나가고 조인트가 누출되며 튜브 끝이 튜브 시트 면 아래에 있습니다. 원인은 튜브에 작용하는 축력이 확장 조인트의 지지 용량을 초과하는 것입니다.

그 힘은 압력 구동 및 열팽창 축 하중을 합산합니다. 합계가 조인트 용량을 초과하면 튜브가 빠집니다. 풀아웃은 하중 문제만큼이나 조인트 설계 문제입니다. 확장 길이, 확장 정도, 홈 형상 및 튜브 벽 두께가 지지력을 설정하며, 튜브 시트 굽힘 응력으로는 예측되지 않습니다. 별도의 조인트 용량 확인이 필요합니다.

• 튜브 시트 두께는 설계 압력만으로는 결정되지 않고 최악의 하중 조합에 의해 결정되어야 합니다.압력만, 압력+열 및 볼트 하중 사례를 확인하십시오. 최악의 경우가 두께를 결정합니다.
• 고정 튜브 시트 열 교환기에는 명시적인 튜브 좌굴 확인이 필요합니다.차등 팽창으로 인한 축 압축 응력 및 임계 좌굴 하중은 굽힘 결과에서 추론하는 것이 아니라 계산해야 합니다.
• 확장 조인트 용량은 계산된 축 하중에 대해 확인해야 합니다.확장 길이, 확장 정도, 홈 형상 및 튜브 벽 두께는 제작자 기본값으로 남겨두지 않고 구매 사양에 포함되어야 합니다.

조달 및 프로젝트 엔지니어의 경우 검토는 도면의 세 가지 질문으로 축소됩니다. 어떤 하중 조합이 튜브 시트 두께를 결정하는가, 고정 튜브 시트 좌굴 사례가 확인되었는가, 조인트 용량이 어떤 축 하중에 해당하는가? 이러한 답변이 존재하면 강도 설계는 단순히 그럴듯한 것이 아니라 검증 가능합니다.

차압, 접합부 열 응력 및 볼트 하중이 한 방향으로 작용할 수 있습니다. 그러면 너무 얇은 튜브 시트가 변형되어 튜브 조인트에서 누출 경로를 엽니다.

쉘-튜브 온도 차이는 고정 튜브 시트가 해제할 수 없는 축 압축 응력을 생성합니다. 임계 좌굴 값을 초과하면 튜브가 구부러집니다. 플로팅 헤드 및 U 튜브 설계는 이를 완화합니다.

압력과 차등 팽창으로 인한 축력이 확장 길이, 확장 정도, 홈 형상 및 튜브 벽 두께로 설정된 조인트 용량을 초과합니다.

차등 팽창과 상호 작용하는 차압: 각각은 단독으로 허용될 수 있지만 함께 굽힘 응력 또는 조인트 용량을 초과할 수 있습니다.