در طیف وسیع صنایع مختلف، هرکدام از انواع مبدل های حرارتی نقش منحصر به فردی دارد و مزایا و معایب خاص خود را دارا میباشد .در این مقاله مشکلاتی را که ممکن است برای تیوب های مبدل حرارتی پوسته و لوله به وجود آید بررسی می کنیم و در مقالات آتی به این موضوع می پردازیم که چگونه این نوع مسائل را حل کرده و یا از آنها پیشگیری کنیم.
مبدل های حرارتی عضو حیاتی اکثر کاربردهای صنعتی می‌باشند. مبدل های حرارتی پوسته و لوله بسیار قابل اعتماد و همچنین با عملکرد قابل قبول میباشد که در سایزهای مختلفی تولید می شوند. از مبدلهای حرارتی بزرگ و سفارشی گرمکن آب تغذیه تا خنک کن های روغن هیدرولیک که در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل صنایع تولید برق پالایشگاه های نفت و گاز صنایع کشتی سازی و ماشین آلات راهسازی.
مبدل حرارتی پوسته و لوله با داشتن یک پوسته و یک تیوب باندل یا همان دسته لوله، دو سیال را به صورت مجزا از هم، وادار به انتقال حرارت می کند و گرما همان طور که جریانها در جهت مخالف حرکت می کنند، از طریق سیال داغ به سیال گرم تر انتقال می یابد. یکی از این سیالات در داخل پوسته و سیال دیگر در داخل لوله حرکت می کند. مبدل های پوسته و لوله به دلیل اینکه هیچ گونه قطعه متحرک ندارند،از عمر کاری بالایی برخوردار هستند و نیاز کمی به نگهداری و تعمیرات دارند اما این قطعات به عنوان عضوی حیاتی از سیستم‌های صنعتی، در معرض تهدیدهایی قرار دارند که عملکرد مطلوب آنها را تحت تأثیر قرار میدهد و یا به ایرادات عملکردی منجر می شود که می تواند موجب قطع کامل فعالیت های مجموعه شود.
۶ دلیل که تیوبهای مبدل حرارتی پوسته و لوله دچار شکست عملکردی می شوند
۱- خوردگی تیوب
بزرگترین تهدید برای مبدل حرارتی پوسته و لوله که تیوبهای آن از جنس کربن استیل است، اکسید شدن یا همان خوردگی سطوح انتقال حرارت تیوبهای آن است. واکنش شیمیایی بین اکسیژن و آهن رایج ترین نوع قابل مشاهده خوردگی است. این واکنش شیمیایی لایه ای از اکسید آهن را روی سطح تیوب کربن استیل به جا می گذارد که منجر به کاهش انتقال گرما شده و به تدریج باعث سوراخ شدن تیوب ها میشود.
این مشکل به سختی قابل مبارزه است و اغلب تنها زمانی شناسایی میشود که تیوب ها آنقدر خورده شدند که سطوح انتقال حرارت و عملکرد حرارتی آنها به شدت کاهش یافته و جریان سیال نیز به طرز قابل توجهی کاهش پیدا کرده است یا دچار سوراخ شدگی هستند و نشتی دارند.
۲- فرسایش تیوبها
فرسایش تیوبها ، مسئله فرسایش فیزیکی فلز توسط سیالات است. سیالات با سطوح بالای جامدات محلول، نظیر سیلیکا، سیلت یا آب دریا که شامل نمک است و شن، فرسایش تیوب های مبدل حرارتی را هم از داخل و هم از لبها سرعت می بخشند. اگرچه همه تیوب ها در معرض فرسایش در طول زمان قرار دارند اما ضعیف ترین نقاط برای تیوب ها معمولاً در خم یو شکل (در صورتیکه در تیوب باندل وجود داشته باشد ) و همچنین در لبه تیوبهای ورودی می باشد.
فرسایش خم U شکل
سرعت سیال در سمت تیوب اگر بیشتر از سرعت توصیه شده سازنده باشد میتواند منجر به آسیب فرسایشی در طول سطح داخلی خم خارجی برگشتی U شکل گردد. تغییر در جهت جریان در این نقطه مقاومت نسبت به جریان که موجب تمرکز نیروی سیال و هرآنچه داخل آن وجود دارد، در مقابل دیواره دورتر تیوب گردد که به طور ثابت موجب فرسایش تیوب در این نقطه میگردد.
فرسایش انتهای تیوب در ورودی مبدل
فرسایش قابل توجه تیوب ها را می توان در انتهای تیوب ها در ورودی مبدل نیز مشاهده کرد که تیوب ها به تیوب شیت جوش شده اند و با نیروی تمام و کمال سیال ورودی مواجه می شوند. در این نقطه تقسیم شدن جریان سیال از یک جریان واحد به تعداد زیادی جریان های کوچک تر، منجر به توربولانس و همچنین سرعت های محلی بسیار بالا در داخل تیوب ها می گردد.
۳-
ضربه قوچ آب یا بخار
ضربه قوچ آب یا بخار نیروی قدرتمندی است که میتواند منجر به پارگی یا شکستن پوسته و یا تیوبهای مبدل حرارتی پوسته و لوله گردد. ضربه قوچ یا water hammer معمولا در نقطه ای به وجود می آید که تخلیه فشاری که ناشی از ورود ناگهانی جریان آب به داخل جریان اصلی است اتفاق می افتد یا تبخیر سریع آب و یا عدم کارکرد درست پمپ وجود داشته باشد. این پدیده را می توان در گرمکن های آب تغذیه به طور رایج مشاهده نمود که در آنها فشار بخار زیاد شانس وقوع ضربه قوچ را افزایش میدهد.
ضربه قوچ معمولا قابل شناسایی توسط صدای بلندی است که داخل لوله ها شنیده می شود اما احتمال اینکه به پوسته آسیب بزند، بسیار کم است. تیوب ها به دلیل اینکه از پوسته ضعیف تر و نرمتر هستند، بیشتر در معرض آسیب به دلیل ضربه قوچ خواهند بود، اگرچه که آسیب به تیوبها تنها با بازرسی داخل و یا هنگامی که نشتی به وجود می آید قابل شناسایی از طریق ظاهر است.
خستگی حرارتی
تیوبهای مبدل حرارتی ، به دلیل تنش تجمع یافته ناشی از سیکل گرمایی دائمی و یا تفاوت های دمایی بسیار قابل توجه، نسبت به پارگی (تنش کششی) و ترک حساس و آسیب پذیر هستند. خستگی گرمایی هنگامی اتفاق می افتد که تفاوتهای دمایی بین پوسته و لوله منجر به انعطاف بیش از حد تیوب گردد. خستگی گرمایی ممکن است منجر به خمیدگی تیوبها نیز شوند که این امر بارهای تنشی ایجاد میکند که از مقاومت کششی متریال تیوب فراتر هستند و در نهایت منجر به پارگی آن می شوند.
یکی دیگر از نتایج تفاوتهای دمایی زیاد، انبساط گرمایی فیزیکی و یا انقباض طولی تیوبها است که ممکن است نهایتا یکپارچگی تیوب با تیوب شیت را تحت تاثیر قرار داده و منجر به نشتی گردد.
تهدید خستگی گرمایی تقریبا تا زمان وقوع شکست، قابل عیب یابی یا مشاهده نیست.
۵- ارتعاشات یا رزونانس
ارتعاش و رزونانس از هر منبعی که باشد یا حتی اگر منشأ خارجی یا داخلی داشته باشد، می تواند نیروهای قدرتمندی را بر روی تیوبهای مبدل حرارتی پوسته و لوله وارد آورد تا جایی که تیوبها دچار پارگی و شکست گردد و آب بندی خود را از دست دهد.
بافل ها در مبدل حرارتی پوسته و لوله حمایت ضروری برای تیوبها به وجود می آورند و سیال سمت پوسته را هدایت میکنند تا انتقال حرارت به خوبی انجام پذیرد. تیوب های مبدل حرارتی معمولا یا به تیوب شیت ها، جوش داده میشوند و یا اکسپند شده اند تا اطمینان حاصل شود که محل اتصال آنها دچار نشتی نیست. هردو پایانه اتصال تیوب به بافل ها و تیوب شیت، نقاط ضعف هستند. سرعت های بیشتر از استاندارد سیالات ممکن است منجر به ارتعاشات تیوب یا رزونانس آن در فرکانسهای بالا گردد که همین امر موجب سایش بیش از حد بین تیوب و لبه بافل میگردد. که منجر به پاره شدن تیوب و یا ممزوج شدن تیوب و تیوب شیت منجر به عدم آب بندی می شود.
تجهیزات و ماشین آلات پایین دست یا بالادست مبدل حرارتی نیز ممکن است ارتعاشات خارجی را به تیوبهای مبدل حرارتی منتقل کنند که موجب آسیب به تیوبها می شود.
۶- وجود حفره در تیوب ها
خوردگی ناشی از واکنش های شیمیایی میتواند منجر به ایجاد حفره در تیوبهای مبدل حرارتی شده و به نقطه ای برسد که باعث ایجاد نشتی در تیوب گردد. ایجاد حفره منتج به وقوع اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی که ناشی از اختلاف بین درون و بیرون تیوب است (که به عنوان سلول متمرکز شناخته می شود) میگردد. محیط سرشار از اکسیژن در این سلول به عنوان آند عمل کرده و سطح فلزی به عنوان کاتد عمل می کند که منجر به حفره گذاری آرام در سطح فلز می شود که حضور ترکیبات شیمیایی دیگر نظیر کلرید یا سولفات حتی موجب سرعت بخشیدن به این موضوع نیز می گردد.