Теплообменник с неподвижными трубными решетками проработал около 18 месяцев, после чего появилась небольшая утечка на выходе из корпуса. Осмотр не выявил коррозии в трубной решетке и целостности труб, однако центр трубной решетки заметно выгнулся, и несколько расширенных соединений рядом с ним ослабли. Сертификаты материалов и сварочные записи были в порядке. Проблема была не в производстве. Это была комбинация нагрузок: перепад давления, перепад теплового расширения и нагрузка от болтов совпали в одном месте и превысили расчетное значение, против которого проверялась трубная решетка — только давление.
В этой статье не перечислены виды отказов. Она отвечает на три вопроса, которые инженеры задают на месте, и каждый ответ восходит к комбинации пяти нагрузок, действующих на каждую трубную решетку: перепад давления по стороне трубы и стороне корпуса, осевое и кольцевое напряжение от давления, несоответствие теплового расширения, тепловое напряжение от разницы температур трубной решетки и корпуса, и нагрузка от фланцевых болтов.
Симптом знаком: выгиб возле центра, утечка в соединении труба-трубная решетка, медленная потеря предварительного натяга болтов. Три нагрузки объединяются, чтобы вызвать это.
Перепад давления создает поперечную изгибающую нагрузку, которой сопротивляется изгибная жесткость трубной решетки и трубы как упругое основание. Разница температур трубной решетки и корпуса добавляет краевой изгибающий момент на этом стыке, а фланцевые болты добавляют третий через сжатие прокладки. Действуя в одном направлении, эти три нагрузки превышают допустимое изгибающее напряжение; там, где трубная решетка слишком тонкая для комбинированной нагрузки, прогиб открывает путь утечки в соединении трубы. Это наиболее распространенный отказ в эксплуатации, проблема толщины и комбинации нагрузок, а не материала.
Здесь трубная решетка цела, а видимые повреждения — это трубы: изогнутые, выгнутые в середине пучка, иногда сплющенные друг с другом. Причина — одна нагрузка, которую конструкция с неподвижными трубными решетками не может снять.
Когда корпус и трубы работают при существенно разных температурах, они расширяются по-разному. Конструкция с неподвижными трубными решетками не может компенсировать это различие относительным движением, поэтому оно преобразуется в осевое напряжение в трубах и корпусе; при превышении критического значения потери устойчивости трубы изгибаются. Конструкции с плавающей головкой или U-образными трубами снимают его, позволяя пучку двигаться. Проверка, которая это выявляет, — это явный расчет осевого напряжения в трубах и критической потери устойчивости — только изгиб трубной решетки этого не делает.
Труба выскальзывает из отверстия трубной решетки, соединение протекает, конец трубы находится ниже плоскости трубной решетки. Причина — осевая сила на трубе, превышающая удерживающую способность расширенного соединения.
Эта сила суммирует осевые нагрузки, вызванные давлением и тепловым расширением. Когда сумма превышает допустимую нагрузку соединения, труба выскальзывает. Выскальзывание — это проблема конструкции соединения, а также проблема нагрузки: длина расширения, степень расширения, геометрия канавки и толщина стенки трубы определяют удерживающую силу, и она не предсказывается изгибным напряжением трубной решетки — она требует отдельной проверки допустимой нагрузки соединения.
Для инженеров по закупкам и проектам проверка сводится к трем вопросам в чертеже: какая комбинация нагрузок определяет толщину трубной решетки, была ли проверена ситуация потери устойчивости для теплообменника с неподвижными трубными решетками и какой осевой нагрузке соответствует допустимая нагрузка соединения? Когда эти ответы существуют, прочностной расчет является проверяемым, а не просто правдоподобным.
Перепад давления, тепловое напряжение на стыке и нагрузка от болтов могут действовать в одном направлении; слишком тонкая трубная решетка затем прогибается и открывает путь утечки в соединении трубы.
Разница температур между корпусом и трубами создает осевое сжимающее напряжение, которое неподвижные трубные решетки не могут снять; при превышении критического значения потери устойчивости трубы изгибаются. Конструкции с плавающей головкой и U-образными трубами снимают его.
Осевая сила от давления плюс дифференциальное расширение превышает допустимую нагрузку соединения, определяемую длиной расширения, степенью расширения, геометрией канавки и толщиной стенки трубы.
Перепад давления, взаимодействующий с дифференциальным расширением: каждая из них может быть приемлема по отдельности, но вместе они могут превысить допустимое изгибающее напряжение или допустимую нагрузку соединения.
