L'amincissement au tournant
Le personnel de maintenance retire un échangeur thermique en PTFE après cinq ans de service. La mesure de l'épaisseur par ultrasons révèle que les parois du tube sont conformes aux spécifications sur les sections droites, mesurant 0,95-1,00 mm contre 1,00 mm d'origine. Cependant, aux coudes, l'épaisseur de la paroi extérieure mesure 0,70 -0,75 mm, soit une réduction de 25 à 30 %. Le virage est l’endroit qui limite la vie.
L'amincissement des parois au niveau des virages est une conséquence prévisible du processus de flexion combiné à un fluage à long terme-à température élevée. Pendant le cintrage, la paroi extérieure du tube s'étire pour s'adapter à la longueur d'arc la plus longue autour de l'extérieur du coude. Le mur s'amincit pour conserver le volume. À température de fonctionnement sous pression de vapeur interne, la paroi extérieure amincie se déplace plus rapidement que les sections droites plus épaisses, réduisant encore davantage l'épaisseur au fil du temps.
Le rayon de courbure détermine l'amincissement initial. Des virages plus serrés produisent un amincissement plus important. La spécification d'un rayon de courbure minimum lors de la conception évite un amincissement initial excessif et limite le taux de fluage ultérieur à des niveaux acceptables tout au long de la durée de vie.
La relation entre la déformation en flexion et l'amincissement
Lorsqu'un tube droit est plié, la longueur de l'arc extérieur dépasse la longueur de l'arc intérieur. Le matériau à l’extérieur du coude doit s’étirer ; le matériau à l’intérieur se comprime. La déformation à la surface extérieure est ε=r / R, où r est le rayon extérieur du tube et R est le rayon de l'axe de courbure.
L'épaisseur de paroi après pliage, en supposant une déformation de volume constante, est d'environ t_bent=t_original / (1 + ε). Pour un tube de 10 mm de diamètre extérieur (r = 5 mm) plié à un rayon R = 150 mm, la déformation de la fibre externe est de 5/150=3.33 %. L'épaisseur de la paroi au niveau du coude extérieur est réduite d'environ 0,968 mm contre 1 000 mm -, soit une réduction de 3,2 %.
Pour un pli plus serré à R=100 mm, la déformation est de 5/100=5 %. La paroi s'amincit à 0,952 mm -, soit une réduction de 4,8 %.
À température de fonctionnement sous pression interne, le taux de fluage dans la section amincie est plus élevé que dans la section droite-de pleine épaisseur. L'amincissement s'accélère avec le temps. L’amincissement initial de 3 à 5 % dû à la flexion peut devenir un amincissement de 15 à 30 % après des années de service.
Tableau 1 : Rayon de courbure et amincissement de la paroi des tubes d'échangeur de chaleur en PTFE (diamètre extérieur de 10 mm × paroi de 1 mm)
| Rayon de la ligne centrale de courbure (mm) | Rapport rayon-sur-diamètre (R/D) | Déformation des fibres externes (%) | Épaisseur de paroi initiale au virage (mm) | Mur estimé sur 5 ans à 143 degrés (mm) | Pertinence |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 (minimum recommandé) | 25 | 2.0 | 0.980 | 0.90-0.94 | Excellent (durée de vie de 10+ ans) |
| 200 | 20 | 2.5 | 0.975 | 0.85-0.90 | Bien |
| 150 | 15 | 3.33 | 0.968 | 0.78-0.85 | Acceptable avec inspection |
| 120 | 12 | 4.17 | 0.960 | 0.70-0.80 | Marginal (réduire la pression de la vapeur) |
| 100 | 10 | 5.0 | 0.952 | 0.60-0.72 | Non recommandé pour le service vapeur |
| 75 | 7.5 | 6.67 | 0.938 | < 0.60 (high failure risk) | Pas acceptable |
L’ajout d’ovalisation
Le cintrage amincit non seulement la paroi extérieure, mais ovalise également la section transversale du tube-. Le tube devient légèrement elliptique au niveau du virage, avec le petit axe dans le plan du virage. L'ovalité concentre les contraintes circonférentielles de la pression interne aux points de courbure maximale, accélérant encore le fluage.
Un tube plié au rayon minimum recommandé de 25D maintient une ovalité inférieure à 5 %. Des courbures plus serrées produisent une plus grande ovalité. Les effets combinés de l’amincissement des parois, de l’ovalité et de la concentration des contraintes font du coude l’endroit critique pour la détermination de la durée de vie.
Spécifications de conception préventive
La principale mesure préventive consiste à spécifier un rayon de courbure minimum de 25 fois le diamètre extérieur du tube-le même rayon recommandé pour la prévention des plis. Ce rayon limite l'amincissement initial à 2 % et garantit que l'ovalité reste inférieure à 5 %.
Les coudes doivent être inspectés après la fabrication à l'aide d'une jauge go/no-go et d'une mesure d'épaisseur par ultrasons. L'épaisseur minimale de paroi au niveau du rayon extérieur de courbure doit être documentée comme référence pour une comparaison future.
Pendant le service, les courbures doivent être incluses dans le programme de mesure d'épaisseur par ultrasons. Les coudes montrant une épaisseur de paroi inférieure à 0,75 mm pour une paroi nominale de 1,0 mm doivent être programmés pour le remplacement.
Résumé
L'amincissement localisé de la paroi au niveau des coudes des tubes d'échangeur de chaleur en PTFE résulte de l'étirement de la paroi externe pendant le pliage, aggravé par un fluage accéléré au niveau de la section amincie sous la température et la pression de fonctionnement. Le rayon de courbure minimum recommandé de 25 fois le diamètre du tube limite l'amincissement initial à 2 % et offre des performances de fluage à long terme acceptables.
Des courbures plus serrées produisent un amincissement proportionnellement plus important et une durée de vie réduite. La mesure de l'épaisseur par ultrasons après-fabrication et-en service au niveau des coudes fournit des données quantitatives pour les décisions de remplacement.
Les spécifications techniques pour le cintrage et l’inspection des tubes en PTFE sont disponibles sur soumission des dimensions du tube, des rayons de courbure, de la température et de la pression de fonctionnement et de la durée de vie requise.
