固定管板 PTFE エクスチェンジャー シェル用の正しい伸縮継手設計を選択するにはどうすればよいですか?

固定管板 PTFE 熱交換器は機械的に単純で、多くの場合経済的に魅力的ですが、その設計には基本的な熱矛盾が伴います。 PTFE チューブは温度が上昇すると大きく膨張しますが、周囲のスチール シェルはほとんど膨張しません。動きが制限されると、不一致によって多大な軸応力が発生する可能性があります。この膨張差を吸収するには、熱交換器の一部を曲げる必要があります。その答えは、シェルに溶接された金属製ベローズ伸縮継手です。-これは、作動中に PTFE チューブ束が熱呼吸するにつれて伸縮する、柔軟なアコーディオンのような部分です。-。

ベローズ アセンブリは、伸縮継手固定管板 PTFE 熱交換器を選択する場合、熱交換器システム全体の中で最も重要な機械部品です。

PTFE エクスチェンジャーに伸縮継手が必要な理由
PTFE の極端な熱膨張
PTFE の熱膨張係数は炭素鋼やステンレス鋼よりもはるかに高くなります。 PTFE チューブは、動作温度の変化に応じて周囲のシェル構造の数倍に膨張する可能性があります。

柔軟な報酬システムがなければ、次のような重大な問題が発生する可能性があります。

管板の歪み

チューブの破断

過剰な軸力

殻を割る

溶接疲労

漏れ故障

伸縮継手は動作が制御されるゾーンであり、熱交換器本体内に熱応力が集中することを防ぎます。

柔軟な圧力境界としてのベローズ
ベローズは熱交換器の金属肺であり、熱サイクルごとに呼吸を行いながら、圧力バリアの完全性を維持します。適切な柔軟性がある限り、PTFE チューブ束はシェルに過度のストレスを与えることなく自然に伸縮できます。-

この適応性は、一般的な配管装置で模倣するのではなく、意図的に設計する必要があります。

伸縮継手を選択するための主要な設計基準
軸方向の全移動量
伸縮継手のサイズ決定における最も重要なパラメータは、軸方向に移動できるかどうかです。ベローズは、動作温度範囲全体にわたって PTFE チューブによる推定総熱膨張に安全に対応する必要があります。

一般的な設計計算では、以下が考慮されます。

チューブの長さ

PTFEの熱膨張係数

起動時の温度差

シャットダウン時の収縮

プロセス混乱の状況

最高設計温度 (MDT)

行程が短すぎると、ベローズが過度に伸びたり、圧縮疲労によって破損したりする可能性があります。

厚い-単層-ベローズが好まれる理由
耐圧性の要件
固定-管板 PTFE 交換器の場合、ベローズは内部シェル圧力を受けますが、移動することもできます。低圧配管システムでよく使用される薄い多層ベローズは、この目的には十分な強度がない可能性があります。

このため、多くの場合、厚肉の単層ベローズ設計が採用されます。-

利点は次のとおりです。

構造強度の向上

より優れた圧力封じ込め

腐食代の増加

耐ダメージ性の向上

層剥離の発生しやすさが低い

ベローズアセンブリは単なるフレキシブルコネクタではありません。これは、熱、圧力、疲労負荷を同時に受ける圧力容器の部分です。

ベローズ材質の選定
316L ステンレス鋼が非常に一般的な理由
エクスチェンジャー シェル ベローズの最も一般的な素材は 316L ステンレス鋼で、以下の組み合わせが提供されます。

耐腐食性

溶接スキル

疲労特性

可用性：

機械的曲げ性

ベローズは通常、攻撃的なプロセス化学物質と直接接触するのではなく、外部シェル側にあるため、大気耐食性が重要な要素となります。

外部腐食の危険性
ベローズが設置されている工場環境では、以下のような環境にさらされる可能性があります。

酸性ガス

塩分-多湿

化学薬品を洗い流す

* 流出の手順

塩化物による汚染

特に微量塩化物は、引張応力下でステンレス鋼ベローズの外部応力腐食割れを引き起こす可能性があるため、非常に有害です。

したがって、材料の選択プロセスでは、作業プロセスと熱交換器設置周囲の環境への曝露の両方を考慮する必要があります。

疲労寿命と畳み込みの設計
畳み込み幾何学の役割
コンボリューションとは、ベローズの柔軟性を生み出すために熱の移動によって圧縮および拡張する波形です。

設計は以下で構成されます。

畳み込みの数

畳み込みの高さ

ピッチ形状

壁の厚さ

軸ばね定数

巻き込みが少なすぎると剛性が高くなりすぎる可能性があり、巻き込みが多すぎると耐圧性と疲労耐性が低下する可能性があります。

熱サイクルの問題
何度も起動、停止、またはバッチ処理条件を経る熱交換器は、繰り返しの温度サイクルにさらされ、ベローズ材料に周期的な歪みが生じます。{0}

高サイクル用途では、疲労耐性のあるベローズ設計が必要です。{0}

その他の工学的対策には次のようなものがあります。

最適化された畳み込みの形状

応力集中領域の低減

溶接品質の管理の向上

移動制限

強化カラーのセクション

疲労破壊は通常、重度の応力がかかった畳み込みルートで亀裂が発生することによって徐々に発生します。

EJMAおよびASME規格への適合
EJMA 設計基準
圧力保持熱交換器シェル内の伸縮継手は、伸縮継手製造業者協会 (EJMA) が指定する基準に従って設計されなければなりません。

EJMA のアプローチは、以下に関する提案を提供します。

応力計算

疲労の分析

圧力定格

移動制限

ばね力の予測

ライフサイクル予測

ASME 付録 26
圧力容器の用途では、ASME 付録 26 もベローズ設計と許容応力評価のガイドとなる場合があります。

確立された設計コードを使用すると、伸縮継手は付属品ではなく、完全に設計された圧力コンポーネントとみなされます。

ベローズを機械的損傷から保護
外部シュラウドの重要性
工具、歩行者、物の落下、メンテナンス作業などによるベローズの回旋部への外部の機械的損傷により、脆弱性が生じる可能性があります。

したがって、ベローズグループには外部保護シュラウドを取り付ける必要があります。

シュラウドは以下のことから保護します。

衝撃によるダメージ

偶発的な変形

瓦礫の蓄積

天候にさらされる

人事担当者への連絡。

小さなへこみや変形が疲労寿命を大幅に短縮する可能性があるため、長期的な信頼性を確保するには物理的な保護が不可欠です。

棚の拡張ジョイントが機能しない理由--
カスタマイズされたエンジニアリング要件
固定管板 PTFE エクスチェンジャーは、次のような非常に特殊な荷重条件をもたらします。-

高い熱変位

プレッシャー "

周期的負荷

腐食環境への暴露

機械的振動

既製の配管拡張継手は、PTFE 交換器のサービスに必要な動きと圧力の組み合わせを満たすことを目的としていないため、適切に使用できることはほとんどありません。

代わりに、各ベローズ アセンブリは熱交換器の形状と動作条件に合わせて構築する必要があります。

まとめ
伸縮継手は、固定管板 PTFE 熱交換器による基本的な熱応力のジレンマを克服する、独創的に構築された柔軟なリンクです。-ベローズは、PTFE チューブと周囲のスチールシェルの間の大きな温度上昇差を安全な方法で補償し、圧力の完全性を維持しながら熱交換器への機械的負荷の損傷を防ぎます。

適切なサイズの伸縮継手を備えた固定管板 PTFE 交換器の選択は、軸方向の移動能力、肉厚、畳み込み形状、耐疲労性、耐食性、および EJMA または ASME 設計基準への準拠を慎重に検討した結果です。長期的な耐用年数にとって同様に重要なのは、適切な外部保護と環境適合性です。-

熱機器工学において最も信頼できる機械の 1 つは、多くの場合、自らの内部の動きに頑固に抵抗するのではなく、優雅に対応することを意図した機械です。\\