Một bộ trao đổi nhiệt ống cố định đã hoạt động khoảng 18 tháng trước khi xuất hiện một vết rò rỉ nhỏ ở đầu ra vỏ. Kiểm tra không phát hiện ăn mòn ở ống đệm và các ống còn nguyên vẹn, nhưng tâm ống đệm đã bị phồng lên rõ rệt và một số mối nối đã được làm chặt gần đó đã bị lỏng. Chứng chỉ vật liệu và hồ sơ hàn đều đúng. Vấn đề không phải do sản xuất. Đó là sự kết hợp tải trọng: áp suất chênh lệch, giãn nở nhiệt chênh lệch và tải trọng bu lông đã thẳng hàng tại cùng một vị trí, và vượt quá giả định mà ống đệm đã được kiểm tra — chỉ áp suất.
Bài viết này không liệt kê các chế độ hỏng hóc. Nó trả lời ba câu hỏi mà các kỹ sư đặt ra tại công trường, và mỗi câu trả lời đều truy ngược lại sự kết hợp của năm tải trọng tác động lên mọi ống đệm: áp suất chênh lệch phía ống và phía vỏ, ứng suất trục và ứng suất vòng do áp suất, sự không khớp giãn nở nhiệt, ứng suất nhiệt do chênh lệch nhiệt độ ống đệm-vỏ, và tải trọng bu lông mặt bích.
Triệu chứng quen thuộc: một chỗ phồng gần tâm, một vết rò rỉ tại mối nối ống-ống đệm, một sự mất dần lực ép bu lông. Ba tải trọng kết hợp để tạo ra nó.
Áp suất chênh lệch tạo ra tải trọng uốn ngang, được chống lại bởi độ cứng uốn của ống đệm và bởi các ống như một nền đàn hồi. Chênh lệch nhiệt độ ống đệm-vỏ thêm một mômen uốn ở mép tại mối nối đó, và các bu lông mặt bích thêm một lực thứ ba thông qua nén gioăng. Tác động theo một hướng, ba lực này đẩy ứng suất uốn vượt quá giới hạn cho phép; nơi ống đệm quá mỏng đối với tải trọng kết hợp, độ võng sẽ mở ra một đường rò rỉ tại mối nối ống. Đây là lỗi phổ biến nhất trong quá trình sử dụng, một vấn đề về độ dày và sự kết hợp tải trọng, không phải là vấn đề vật liệu.
Ở đây ống đệm còn nguyên vẹn và các ống là hư hỏng nhìn thấy được: cong, phồng ở giữa bó ống, đôi khi bị sập vào nhau. Nguyên nhân là tải trọng mà thiết kế ống đệm cố định không thể giải phóng.
Khi vỏ và ống chạy ở nhiệt độ khác nhau đáng kể, chúng sẽ giãn nở khác nhau. Thiết kế ống đệm cố định không thể hấp thụ sự chênh lệch đó bằng chuyển động tương đối, vì vậy nó chuyển thành ứng suất trục trong ống và vỏ; vượt quá giá trị tới hạn, các ống sẽ bị cong. Thiết kế đầu nổi hoặc ống chữ U giải phóng nó bằng cách cho phép bó ống di chuyển. Kiểm tra bắt được nó là tính toán ứng suất trục ống và tải trọng tới hạn rõ ràng — chỉ uốn ống đệm thôi thì không.
Ống trượt ra khỏi lỗ ống đệm, mối nối bị rò rỉ, đầu ống nằm dưới mặt ống đệm. Nguyên nhân là lực trục tác dụng lên ống vượt quá khả năng giữ của mối nối được làm chặt.
Lực đó cộng tổng tải trọng trục do áp suất và giãn nở nhiệt. Khi tổng vượt quá khả năng của mối nối, ống sẽ bị tuột ra. Tuột ra là vấn đề thiết kế mối nối cũng như vấn đề tải trọng: chiều dài làm chặt, mức độ làm chặt, hình dạng rãnh và độ dày thành ống xác định lực giữ, và nó không được dự đoán bằng ứng suất uốn ống đệm — nó cần một kiểm tra khả năng mối nối riêng biệt.
Đối với các kỹ sư mua hàng và dự án, việc xem xét quy về ba câu hỏi trên bản vẽ: sự kết hợp tải trọng nào quyết định độ dày ống đệm, trường hợp cong ống cố định đã được kiểm tra chưa, và khả năng của mối nối tương ứng với tải trọng trục nào? Khi có những câu trả lời đó, thiết kế độ bền có thể được xác minh, không chỉ là hợp lý.
Áp suất chênh lệch, ứng suất nhiệt mối nối và tải trọng bu lông có thể tác động theo một hướng; ống đệm quá mỏng sau đó sẽ bị võng và mở ra một đường rò rỉ tại mối nối ống.
Chênh lệch nhiệt độ vỏ-ống tạo ra ứng suất nén trục mà ống đệm cố định không thể giải phóng; vượt quá giá trị tới hạn, ống sẽ bị cong. Thiết kế đầu nổi và ống chữ U giải phóng nó.
Lực trục từ áp suất cộng với giãn nở chênh lệch vượt quá khả năng của mối nối, được xác định bởi chiều dài làm chặt, mức độ làm chặt, hình dạng rãnh và độ dày thành ống.
Áp suất chênh lệch tương tác với giãn nở chênh lệch: mỗi loại có thể chấp nhận được khi đứng riêng, nhưng khi kết hợp chúng có thể vượt quá ứng suất uốn cho phép hoặc khả năng của mối nối.
