السطح المتقرح
أثناء الفحص المجدول، لاحظ موظفو الصيانة ظهور بثور صغيرة-نتوءات مرتفعة يبلغ قطرها 1-3 ملم على السطح الخارجي لأنابيب المبادل الحراري PTFE. تتركز البثور على أنابيب في المنطقة الأكثر سخونة في الحزمة، بالقرب من مدخل البخار. وقد تمزقت بعض البثور، مخلفة حفرًا ضحلة على سطح الأنبوب.
تثير البثور مخاوف فورية. هل الأنابيب فاشلة؟ هل هذا هجوم كيميائي؟ هل ستتسرب الأنابيب؟ تتطلب الإجابات فهم آلية تكوين الفقاعة، وهي ليست هجومًا كيميائيًا ولا فشلًا وشيكًا في حدود الضغط. إنها ظاهرة فيزيائية مدفوعة بامتصاص الرطوبة والفراغات الدقيقة في مادة PTFE.
تؤثر البثور على نعومة السطح وقد تقلل قليلاً من انتقال الحرارة محليًا، لكنها نادرًا ما تخترق جدار الأنبوب أو تسبب تسربًا. ومع ذلك، يشير وجودها إلى أن جودة مادة PTFE أو جودة البخار قد تحتاج إلى الاهتمام.
آلية امتصاص الرطوبة والفراغ الدقيق
PTFE مسعور. الماء لا يبلل السطح. ولكن عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن لبخار الماء أن يتخلل ببطء إلى بنية البوليمر. تشغل جزيئات الماء المتخللة حجمًا حرًا بين سلاسل البوليمر-وهو نفس الحجم الحر الذي يمنح PTFE مرونته.
على مدى آلاف الساعات عند 130-150 درجة في البخار المشبع، يتراكم الماء في فراغات مجهرية داخل PTFE. هذه الفراغات متأصلة في المادة؛ تحتوي جميع PTFE على بعض الفراغات الدقيقة الناتجة عن عملية التلبيد أثناء التصنيع. ويكون الماء الموجود في هذه الفراغات في حالة توازن مع ضغط البخار الخارجي.
عندما يتم إغلاق المبادل وتبريده، يتكثف الماء المحبوس. حجم الماء السائل أقل بكثير من حجم البخار الذي ينتجه، مما يخلق فراغًا داخل الفراغ. الفراغ ينهار جزئيا. وفي دورة التسخين التالية-، يعود الماء السائل إلى البخار مرة أخرى. يؤدي التوسع السريع في الحجم-من الماء إلى البخار إلى زيادة في الحجم بمقدار 1,600:1 تقريبًا-مما يؤدي إلى إنشاء نبض ضغط داخل الفراغ. يقوم النبض بتمديد البوليمر المحيط.
على مدار العديد من الدورات الحرارية، تؤدي نبضات التمدد المتكررة إلى نمو الفراغات. الفراغات الصغيرة تتجمع في فراغات أكبر. ينتفخ البوليمر الرقيق الموجود فوق الفراغ المتنامي إلى الخارج، مما يشكل بثرة مرئية. في نهاية المطاف، قد يصبح جدار الفقاعة رقيقًا إلى حد التمزق، مما يؤدي إلى إطلاق البخار المحصور وترك حفرة.
الجدول 1: عوامل تكوين الفقاعة وتدابير الوقاية
| عامل | المساهمة في تشكيل نفطة | تدابير الوقاية | فعالية |
|---|---|---|---|
| High steam temperature (>150 درجة) | يسرع معدل تخلل المياه | قم بتقليل ضغط البخار إذا كانت العملية تسمح بذلك | عالي |
| ركوب الدراجات الحرارية المتكررة | نبضات التوسع تنمو الفراغات | تقليل عمليات إيقاف التشغيل غير الضرورية | معتدل |
| PTFE-جودة منخفضة (محتوى ميكروفويد عالي) | يوفر مواقع النواة للبثور | حدد-درجة عالية، ومنخفضة-راتينج PTFE الفارغ | عالي |
| تسخين سريع-من البرد | يزيد من نبض التمدد الحراري | منحدر درجة حرارة البخار تدريجيا | معتدل |
| البخار الرطب (نسبة الجفاف منخفضة) | يزيد من الرطوبة المتاحة للتخلل | Improve steam separation; ensure >98% جفاف | عالي |
| Thick tube wall (>1.5 ملم) | مسار انتشار أطول؛ يحبس المزيد من الماء | استخدم الحد الأدنى لسمك الجدار لتقييم الضغط | معتدل |
عوامل الجودة في تصنيع أنابيب PTFE
يعتمد محتوى microvoid لأنابيب PTFE على عملية التصنيع. يتم إنتاج أنابيب PTFE المبثوقة - عن طريق خلط مسحوق PTFE مع مادة تشحيم، وبثق المعجون على شكل أنبوب، والتلبيد عند درجة حرارة عالية لدمج الجسيمات. تعمل عملية التلبيد على إزالة مادة التشحيم ودمج جزيئات PTFE في مصفوفة مستمرة.
يؤدي التلبيد غير المكتمل إلى ترك فراغات صغيرة متبقية عند الحدود بين الجزيئات الملتحمة جزئيًا. هذه الفراغات هي المواقع المفضلة لتراكم الرطوبة وبدء ظهور الفقاعات. تخضع أنابيب PTFE عالية الجودة- إلى تلبيد محسّن لتقليل المحتوى الفارغ.
إن تحديد الأنابيب التي تحتوي على محتوى فارغ أقل من 1% (يتم قياسه بمقارنة الكثافة بكثافة PTFE النظرية التي تبلغ 2.15-2.20 جم/سم مكعب) يقلل بشكل كبير من قابلية الإصابة بالتقرحات. يجب تضمين هذه المواصفات في وثائق الشراء الخاصة بالمبادلات الحرارية PTFE التي تعمل بدرجة حرارة أعلى من 130 درجة.
التمييز بين البثور والهجوم الكيميائي
تختلف البثور الناتجة عن امتصاص الرطوبة عن الهجوم الكيميائي. عادةً ما يؤدي الهجوم الكيميائي إلى تغير اللون أو خشونة السطح أو ترقق الجدار بشكل موحد. تكون البثور موضعية، دون أي تغيير في اللون. إن مادة PTFE المحيطة بالبثور سليمة ميكانيكيًا.
إذا كان هناك شك، يمكن تقسيم البثرة وفحصها. تُظهر البثرة الناتجة عن الرطوبة- تجويفًا داخليًا نظيفًا بجدران ناعمة. تظهر المنطقة التي تعرضت لهجوم كيميائي مواد متدهورة أو تغير لونها أو تغير في خواصها الميكانيكية. إذا كانت البثور مصحوبة بأي من هذه العلامات، فيجب إعادة تقييم التوافق الكيميائي.
ملخص
تنتج البثور الموجودة على أنابيب المبادل الحراري PTFE من تراكم الرطوبة في الفراغات الدقيقة داخل البوليمر، يليها تمدد البخار الدوري أثناء التدوير الحراري. الآلية فيزيائية وليست كيميائية. تشير البثور إلى مشاكل تتعلق بجودة المواد أو جودة البخار ولكنها نادرًا ما تؤدي إلى تسرب الأنبوب.
تركز الوقاية على تحديد أنابيب PTFE منخفضة الفراغ، والحفاظ على جفاف البخار العالي، وتقليل التدوير الحراري غير الضروري، وزيادة درجة الحرارة تدريجيًا أثناء بدء التشغيل. يجب مراقبة الأنابيب التي تحتوي على تقرحات واسعة النطاق ولكنها لا تحتاج إلى استبدال فوري ما لم يكن سمك الجدار في مواقع البثور أقل من الحد الأدنى.
تتوفر التوصيات الهندسية لتقييم الفقاعة ومواصفات مواد PTFE عند تقديم شهادات درجة حرارة التشغيل والضغط، وبيانات جودة البخار، وتكرار التدوير، وشهادات مواد الأنبوب.
