Tabung yang Berubah Bentuk Secara Perlahan
Penukar panas PTFE yang melayani proses asam sulfat pekat pada suhu 175 derajat beroperasi tanpa masalah yang jelas selama dua tahun. Selama tahun ketiga, operator menyadari konsumsi uap meningkat secara bertahap untuk menjaga suhu. Inspeksi selama penutupan tahunan mengungkapkan penyebabnya: tabung-tabung tersebut memanjang dan menipis. Diameter luarnya sedikit berkurang. Bundel tabungnya terlihat melar.
Tidak ada kegagalan mendadak yang terjadi. Tidak ada kebocoran yang terjadi. Tabung-tabung tersebut berubah bentuk secara perlahan selama ribuan jam di bawah pengaruh gabungan suhu, tekanan uap internal, dan-berat sendiri. Ini adalah mulur: deformasi permanen yang bergantung pada waktu di bawah tekanan konstan di bawah kekuatan luluh jangka pendek material.
Pada suhu 175 derajat, PTFE stabil secara kimia dan berada dalam suhu layanan kontinu terukur 260 derajat. Namun kestabilan kimia dan kestabilan mekanik mempunyai sifat yang berbeda. Peringkat material tidak menjamin bebas dari deformasi mulur dalam jangka waktu lama pada batas atas kisaran suhu.
Mekanisme Creep di PTFE
Creep terjadi pada semua polimer pada suhu tinggi. Rantai molekul, yang biasanya terjerat dan menahan deformasi, memperoleh energi panas yang cukup untuk meluncur melewati satu sama lain di bawah tekanan yang diberikan. Kecepatan geser tergantung pada suhu, besarnya tegangan, dan waktu.
Dalam tabung penukar panas PTFE, tegangan utama adalah tegangan lingkaran dari tekanan uap internal. Untuk pipa OD 10mm dengan dinding 1mm pada tekanan internal 4 barg, tegangan hoop kira-kira 2 MPa. Pada suhu lingkungan, laju mulur PTFE pada tekanan ini dapat diabaikan. Pada 175 derajat, laju mulur menjadi dapat diukur.
Tabung juga mengalami tekanan aksial akibat ekspansi termal yang terbatas dan tegangan tekuk akibat-berat sendiri di antara penyangga. Tegangan-tegangan ini lebih kecil dibandingkan dengan tegangan hoop tetapi berkontribusi terhadap deformasi mulur total.
Creep bermanifestasi dalam tiga perubahan yang dapat diamati: pemanjangan tabung, penipisan dinding, dan pengurangan diameter. Pemanjangan terjadi karena tegangan lingkaran menghasilkan regangan aksial melalui efek Poisson. Penipisan dinding disebabkan oleh deformasi volume yang konstan: seiring dengan pemanjangan dan penyempitan tabung, ketebalan dinding berkurang untuk menghemat volume material.
Tabel 1: Perkiraan Deformasi Creep vs. Suhu Operasional untuk Tabung PTFE (OD 10mm, Dinding 1mm, Steam 4 barg)
| Suhu Operasional (derajat) | Tingkat Creep Relatif | Ketebalan Dinding Setelah 1 Tahun (mm) | Ketebalan Dinding Setelah 3 Tahun (mm) | Tekanan Meledak Setelah 3 Tahun (bar) | Kehidupan Layanan yang Direkomendasikan |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Dapat diabaikan | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 tahun |
| 120 | Sangat rendah | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 tahun |
| 140 | Rendah | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 tahun |
| 160 | Sedang | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 tahun |
| 180 | Tinggi | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 tahun |
| 200 | Sangat tinggi | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Perkiraan nilai berdasarkan data creep PTFE yang dipublikasikan dan ekstrapolasi Arrhenius. Tarif sebenarnya bergantung pada kadar resin tertentu, kristalinitas, dan riwayat pemrosesan. Umur layanan didefinisikan sebagai waktu untuk mencapai 50% dari tekanan ledakan awal.
Modifikasi Desain untuk Layanan yang Diperluas
Mengurangi tegangan lingkaran akan memperpanjang masa pakai pada suhu tertentu. Cara paling sederhana adalah dengan mengurangi tekanan uap. Pengoperasian pada 2 barg, bukan 4 barg, akan mengurangi separuh tegangan hoop, kira-kira menggandakan waktu untuk mencapai regangan mulur tertentu.
Peningkatan ketebalan dinding tabung memberikan margin langsung terhadap penipisan. Tabung dinding 1,5 mm yang beroperasi pada 175 derajat mencapai ketebalan dinding minimum yang sama dengan tabung 1,0 mm dalam waktu kira-kira dua kali lipat. Hukumannya adalah berkurangnya perpindahan panas, sehingga membutuhkan luas permukaan yang lebih besar secara proporsional.
Menggunakan kelas PTFE{0}}kristalinitas yang lebih tinggi akan meningkatkan ketahanan terhadap mulur. Formulasi PTFE yang dimodifikasi dengan berat molekul dan kristalinitas terkontrol menunjukkan tingkat mulur 30-50% lebih rendah dibandingkan kualitas standar pada suhu dan tekanan yang sama. Kenaikan biaya material tidak terlalu besar jika dibandingkan dengan perpanjangan masa pakai.
Kriteria Inspeksi dan Pensiun
Tabung yang beroperasi pada suhu di atas 150 derajat harus diperiksa setiap tahun untuk mengetahui adanya deformasi mulur. Pengukuran diameter luar dan ketebalan dinding di lokasi yang representatif melacak perkembangan penipisan. Pengukur ketebalan ultrasonik memberikan-data ketebalan dinding yang tidak merusak.
Kriteria pensiun harus ditetapkan pada saat pemasangan. Kriteria umumnya adalah pengurangan ketebalan dinding hingga 60% dari nilai aslinya. Pada titik ini, faktor keamanan tekanan ledakan dikurangi dari kira-kira 8:1 menjadi 3:1, yang tetap memadai untuk tekanan pengoperasian namun menyisakan pengurangan margin untuk perubahan tekanan.
Tabung yang menunjukkan pengurangan diameter atau perpanjangan yang terlihat melebihi 10% harus diganti terlepas dari ketebalan absolutnya, karena deformasi menunjukkan bahwa material telah menghabiskan sebagian besar keuletan mulurnya.
Ringkasan
Pengoperasian penukar panas PTFE yang berkelanjutan mendekati 180 derajat menghasilkan deformasi mulur yang secara bertahap menipiskan dinding tabung dan mengurangi margin tekanan ledakan. Laju deformasi bergantung secara eksponensial pada suhu dan linier pada tegangan lingkaran.
Masa pakai pada suhu 175 derajat dengan kadar PTFE standar dan uap 4 barg adalah sekitar 2-4 tahun berdasarkan penipisan mulur. Tekanan uap yang lebih rendah, dinding yang lebih tebal, dan nilai PTFE dengan kristalinitas yang lebih tinggi memperluas hal ini secara signifikan. Pengukuran ketebalan dinding tahunan melacak perkembangan dan mendukung keputusan pensiun.
Analisis teknik untuk prediksi masa pakai penukar panas PTFE pada kondisi pengoperasian tertentu tersedia berdasarkan riwayat suhu pengoperasian, tekanan uap, dimensi tabung, tingkat material, dan pengukuran deformasi yang ada.
