Wymiennik ciepła z płytą kotłową o stałej konstrukcji działał przez około 18 miesięcy, zanim pojawił się niewielki wyciek na wylocie płaszcza. Inspekcja nie wykazała korozji na płycie kotłowej ani uszkodzeń rur, ale środek płyty kotłowej był widocznie wybrzuszony, a kilka rozszerzonych połączeń w pobliżu poluzowało się. Certyfikaty materiałowe i dokumentacja spawalnicza były w porządku. Problem nie leżał w produkcji. Była to kombinacja obciążeń: ciśnienie różnicowe, różnicowa ekspansja termiczna i obciążenie śrubami zbiegły się w tym samym miejscu i przekroczyły założenia, według których sprawdzano płytę kotłową – samo ciśnienie.
Niniejszy artykuł nie wymienia trybów awarii. Odpowiada na trzy pytania, które inżynierowie zadają na miejscu, a każda odpowiedź prowadzi do kombinacji pięciu obciążeń działających na każdą płytę kotłową: ciśnienie różnicowe po stronie rur i po stronie płaszcza, naprężenia osiowe i obwodowe od ciśnienia, niezgodność rozszerzalności cieplnej, naprężenia termiczne od różnicy temperatur płyty kotłowej do płaszcza oraz obciążenie śrubami kołnierza.
Objaw jest znajomy: wybrzuszenie w pobliżu środka, wyciek w połączeniu rura-płyta kotłowa, powolna utrata wstępnego napięcia śrub. Trzy obciążenia łączą się, aby to spowodować.
Ciśnienie różnicowe tworzy poprzeczne obciążenie zginające, któremu przeciwdziała sztywność zginająca płyty kotłowej i rury jako sprężyste podłoże. Różnica temperatur płyty kotłowej do płaszcza dodaje krawędziowy moment zginający w tym połączeniu, a śruby kołnierza dodają trzecie poprzez ściskanie uszczelki. Działając w jednym kierunku, te trzy obciążenia przekraczają dopuszczalne naprężenia zginające; tam, gdzie płyta kotłowa jest zbyt cienka dla połączonego obciążenia, odkształcenie otwiera drogę wycieku w połączeniu rury. Jest to najczęstsza awaria w eksploatacji, problem grubości i kombinacji obciążeń, a nie materiału.
Tutaj płyta kotłowa jest nienaruszona, a rury są widocznym uszkodzeniem: wygięte, wybrzuszone w środku wiązki, czasami zapadnięte jedna na drugą. Przyczyną jest jedno obciążenie, którego konstrukcja z płytą kotłową o stałej konstrukcji nie może uwolnić.
Gdy płaszcz i rury pracują w znacznie różnych temperaturach, rozszerzają się inaczej. Konstrukcja z płytą kotłową o stałej konstrukcji nie może pochłonąć tej różnicy poprzez względny ruch, więc przekształca się w naprężenia osiowe w rurach i płaszczu; powyżej krytycznej wartości wyboczenia rury wyginają się. Konstrukcje z pływającą głowicą lub rurami U łagodzą to, pozwalając wiązce na ruch. Sprawdzenie, które to wyłapuje, to jawne obliczenie naprężeń osiowych rur i krytycznego wyboczenia – samo zginanie płyty kotłowej tego nie robi.
Rura wysuwa się z otworu płyty kotłowej, połączenie przecieka, koniec rury znajduje się poniżej powierzchni płyty kotłowej. Przyczyną jest siła osiowa działająca na rurę, przekraczająca zdolność utrzymania rozszerzonego połączenia.
Siła ta sumuje obciążenia osiowe spowodowane ciśnieniem i rozszerzalnością cieplną. Gdy suma przekroczy zdolność połączenia, rura wysuwa się. Wysunięcie jest problemem projektowym połączenia, jak również problemem obciążenia: długość rozszerzenia, stopień rozszerzenia, geometria rowka i grubość ścianki rury określają siłę trzymania, i nie jest ona przewidywana przez naprężenia zginające płyty kotłowej – wymaga osobnego sprawdzenia zdolności połączenia.
Dla inżynierów ds. zaopatrzenia i projektów przegląd sprowadza się do trzech pytań na rysunku: która kombinacja obciążeń określa grubość płyty kotłowej, czy sprawdzono przypadek wyboczenia dla wymiennika o stałej płycie kotłowej i do jakiego obciążenia osiowego odpowiada zdolność połączenia? Gdy te odpowiedzi istnieją, projekt wytrzymałościowy jest weryfikowalny, a nie tylko prawdopodobny.
Ciśnienie różnicowe, naprężenia termiczne połączenia i obciążenie śrubami mogą działać w jednym kierunku; zbyt cienka płyta kotłowa następnie odkształca się i otwiera drogę wycieku w połączeniu rury.
Różnica temperatur płaszcza do rury tworzy osiowe naprężenia ściskające, których stałe płyty kotłowe nie mogą uwolnić; powyżej krytycznej wartości wyboczenia rury wyginają się. Konstrukcje z pływającą głowicą i rurami U łagodzą to.
Siła osiowa od ciśnienia plus różnicowa rozszerzalność przekracza zdolność połączenia, określoną przez długość rozszerzenia, stopień rozszerzenia, geometrię rowka i grubość ścianki rury.
Ciśnienie różnicowe oddziałujące z różnicową rozszerzalnością: każde z nich może być dopuszczalne osobno, ale razem mogą przekroczyć dopuszczalne naprężenia zginające lub zdolność połączenia.
