เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตันทำงานประมาณ 18 เดือนก่อนที่จะเกิดการรั่วซึมเล็กน้อยที่ทางออกของเปลือก การตรวจสอบไม่พบการกัดกร่อนในแผ่นท่อและท่อที่สมบูรณ์ แต่ตรงกลางแผ่นท่อมีการโป่งออกอย่างเห็นได้ชัด และข้อต่อที่ขยายออกหลายจุดใกล้เคียงกันได้คลายตัวออก เอกสารรับรองวัสดุและบันทึกการเชื่อมอยู่ในลำดับที่ถูกต้อง ปัญหาไม่ได้เกิดจากการผลิต แต่เกิดจากการรวมกันของแรง: ความแตกต่างของแรงดัน, การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน และแรงยึดโบลต์ได้รวมตัวกันในตำแหน่งเดียวกัน และเกินกว่าข้อสมมติฐานที่ใช้ตรวจสอบแผ่นท่อ — เพียงแค่แรงดันอย่างเดียว
บทความนี้ไม่ได้ระบุรูปแบบความล้มเหลว แต่ตอบคำถามสามข้อที่วิศวกรถามในไซต์งาน และแต่ละคำตอบจะย้อนกลับไปสู่การรวมกันของแรงห้าชนิดที่กระทำต่อแผ่นท่อทุกแผ่น: ความแตกต่างของแรงดันฝั่งท่อและฝั่งเปลือก, ความเค้นตามแนวแกนและความเค้นตามแนวเส้นรอบวงจากแรงดัน, การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่เข้ากัน, ความเค้นจากความร้อนจากความแตกต่างของอุณหॅระหว่างแผ่นท่อกับเปลือก, และแรงยึดโบลต์หน้าแปลน
อาการเป็นที่คุ้นเคย: การโป่งพองใกล้ตรงกลาง, การรั่วที่ข้อต่อระหว่างท่อกับแผ่นท่อ, การสูญเสียแรงยึดโบลต์อย่างช้าๆ แรงสามชนิดรวมกันเพื่อสร้างสิ่งนี้
ความแตกต่างของแรงดันสร้างแรงดัดขวาง ซึ่งต้านทานโดยความแข็งแกร่งในการดัดของแผ่นท่อและโดยท่อในฐานะที่เป็นรากฐานยืดหยุ่น ความแตกต่างของอุณหॅระหว่างแผ่นท่อกับเปลือกจะเพิ่มโมเมนต์ดัดที่ขอบที่จุดเชื่อมต่อนั้น และโบลต์หน้าแปลนจะเพิ่มแรงที่สามผ่านการบีบอัดปะเก็น เมื่อกระทำในทิศทางเดียว แรงทั้งสามนี้จะผลักความเค้นดัดให้เกินกว่าค่าที่ยอมรับได้; ที่ซึ่งแผ่นท่อบางเกินไปสำหรับแรงรวม การโก่งตัวจะเปิดเส้นทางการรั่วที่ข้อต่อท่อ นี่คือความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดในการใช้งานจริง ซึ่งเป็นปัญหาเรื่องความหนาและการรวมกันของแรง ไม่ใช่ปัญหาเรื่องวัสดุ
ในกรณีนี้ แผ่นท่อสมบูรณ์และท่อคือความเสียหายที่มองเห็นได้: โค้งงอ, โป่งพองตรงกลางชุดท่อ, บางครั้งก็ยุบตัวเข้าหากัน สาเหตุคือแรงเดียวที่การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตันไม่สามารถปลดปล่อยได้
เมื่อเปลือกและท่อทำงานที่อุณหॅที่แตกต่างกันอย่างมาก พวกมันจะขยายตัวแตกต่างกัน การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตันไม่สามารถรองรับความแตกต่างนี้ได้ด้วยการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ ดังนั้นจึงแปลงเป็นความเค้นตามแนวแกนในท่อและเปลือก; เกินกว่าค่าวิกฤตของการโก่งงอ ท่อจะโค้งงอ การตรวจสอบที่จับสิ่งนี้ได้คือการคำนวณความเค้นตามแนวแกนของท่อและการโก่งงออย่างชัดเจน — การดัดแผ่นท่อเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ
ท่อเลื่อนออกจากรูแผ่นท่อ, ข้อต่อรั่ว, ปลายท่อนั่งต่ำกว่าหน้าแผ่นท่อ สาเหตุคือแรงตามแนวแกนบนท่อเกินกว่าความสามารถในการยึดของข้อต่อที่ขยายออก
แรงนั้นรวมแรงตามแนวแกนที่เกิดจากแรงดันและการขยายตัวทางความร้อน เมื่อผลรวมเกินกว่าความสามารถของข้อต่อ ท่อจะหลุดออก การหลุดออกเป็นปัญหาการออกแบบข้อต่อพอๆ กับปัญหาแรง: ความยาวในการขยายตัว, ระดับการขยายตัว, รูปทรงร่อง และความหนาผนังท่อ กำหนดแรงยึด และไม่สามารถคาดการณ์ได้จากความเค้นดัดของแผ่นท่อ — ต้องมีการตรวจสอบความสามารถของข้อต่อแยกต่างหาก
สำหรับวิศวกรจัดซื้อและวิศวกรโครงการ การตรวจสอบจะลดลงเหลือสามคำถามบนแบบ: การรวมกันของแรงใดที่กำหนดความหนาของแผ่นท่อ, ได้มีการตรวจสอบกรณีการโก่งงอของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อตันหรือไม่, และความสามารถของข้อต่อสอดคล้องกับแรงตามแนวแกนเท่าใด เมื่อมีคำตอบเหล่านั้น การออกแบบความแข็งแรงจะสามารถตรวจสอบได้ ไม่ใช่แค่เป็นไปได้
ความแตกต่างของแรงดัน, ความเค้นความร้อนที่จุดเชื่อมต่อ และแรงยึดโบลต์สามารถกระทำในทิศทางเดียว; แผ่นท่อที่บางเกินไปจะโก่งตัวและเปิดเส้นทางการรั่วที่ข้อต่อท่อ
ความแตกต่างของอุณหॅระหว่างเปลือกกับท่อสร้างความเค้นอัดตามแนวแกนที่แผ่นท่อตันไม่สามารถปลดปล่อยได้; เกินกว่าค่าวิกฤตของการโก่งงอ ท่อจะโค้งงอ การออกแบบแบบหัวลอยและแบบท่อ U จะช่วยผ่อนคลาย
แรงตามแนวแกนจากแรงดันบวกกับการขยายตัวที่แตกต่างกันเกินกว่าความสามารถของข้อต่อ ซึ่งกำหนดโดยความยาวในการขยายตัว, ระดับการขยายตัว, รูปทรงร่อง และความหนาผนังท่อ
ความแตกต่างของแรงดันที่ทำปฏิกิริยากับการขยายตัวที่แตกต่างกัน: แต่ละอย่างอาจยอมรับได้เมื่อแยกกัน แต่เมื่อรวมกันแล้วอาจเกินกว่าความเค้นดัดที่ยอมรับได้หรือความสามารถของข้อต่อ
