Reasons for cracks in shell/tube exchangers and how to prevent them

تجزیه و تحلیل دلایل ترک های به وجود آمده در مبدل پوسته/لوله موجود و ارائه راهکار جهت جلوگیری از حوادث مشابه

چکیده

مبدل پوسته/لوله مذکور جهت تنظیم دمای هوا برای خشک کردن گرانول های موجود در سیلوها استفاده می گردد. به این صورت که آب کولینگ با دمای کم(~ 30 ˚C) از سمت پوسته وارد مبدل می شود و هوای دمای بالای خروجی کمپرسور ها که از قسمت تیوب ها وارد مبدل می گردد را کاهش داده و این تبادل حرارتی با تنظیم فشار و نرخ ورودی آب کولینگ، دمای آن را به درجه مورد نظر (60-65 درجه سانتیگراد) می رساند.

با نشتی اتفاق افتاده در این مبدل پس از 5 سال که در سرویس بهره برداری قرار داشت، قسمت لوله ها از پوسته جدا گردید و نواحی تیوب شیت و لوله ها مورد بازرسی های  غیر مخرب قرار گرفتند. مشخص گردید در قسمت اتصالی لوله ها به تیوب شیت در سمت ورودی هوای داغ، ترک های زیادی به وجود آمده ولی در سمت خروجی هوا هیچگونه عیب و ناپیوستگی مشاهده نمی گردد. با بررسی مقالات و مشاهدات انجام شده علت به وجود آمدن این پدیده تنشهای حرارتی و مکانیکی عنوان شد که سبب ایجاد ترک های خستگی (Fatigue Cracking) و خزشی (Creep Cracking) در این قسمت گردیده است و در ادامه راهکارهایی برای تکرار نشدن این پدیده ارائه شد.

مقدمه

مبدل مذکور جهت تنظیم دمای هوا برای خشک کردن گرانول های موجود در سیلوها استفاده می گردد. به این صورت که آب کولینگ با دمای کم(~ 30 ˚C) از سمت پوسته وارد مبدل می شود و هوای دمای بالای خروجی کمپرسور ها که از قسمت تیوب ها وارد مبدل می شود را کاهش داده و این تبادل حرارتی با تنظیم فشار و نرخ ورودی آب کولینگ، دمای آن را به درجه مورد نظر می رساند.

اگر به هر دلیلی نشتی در مبدل اتفاق بیافتد آب کولینگ پوسته مبدل، وارد تیوب های هوا شده و در تله بخار(steam trap) بعد از مبدل جمع می گردد. تجمع بیش از حد آب در این تجهیز نشان از نشتی رخ داده در این مبدل خواهد بود. در صورت نشتی مستمر در مبدل، میزان رطوبت گرانول در سیلوها افزایش یافته و سبب کاهش کیفیت محصول و عدم رضایت مشتری می گردد. لذا کنترل این پدیده و جلوگیری از ورود رطوبت به سیلوها یکی از مهمترین موارد جهت نگهداری از محصول خواهد بود.

در مقاله ژیونگ وانگ، علل ترک خوردگی تیوب ها از جنس استنلس استیل 316 در مبدل حرارتی تجزیه و تحلیل گردید. مشخص شد یون کلرید و اکسیژن محلول در آب سبب ایجاد ترک های تنشی/خوردگی در روی تیوب های مبدل شده و در ادامه این ترک ها گسترش پیدا کرده و سبب از هم گسیختگی لوله ها شده است[1].

در مقاله مراد علی انور، شکست های رایج در مبدل های حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است، در این گزارش شایع ترین موارد جهت شکست در مبدل ها ایجاد رسوبات بر روی و یا درون لوله ها و به وجود آمدن تنش های حرارتی ذکر شده است[2]. در این مقاله عوامل اصلی خستگی را دو مورد ذکر کرده است که شامل: اضافه بار حرارتی و فشار بیش از حد مکانیکی. در حالت اول دمای بالا مسئول و در حالت دوم تنش های مکانیکی بالا عامل خرابی می باشد. در صورت وجود تنش های مکانیکی بالا، تنش های پسماند در مواد در حین خمش و نورد ایجاد می شود، اما می توان با عملیات حرارتی پس از جوشکاری به حداقل رساند. تغییر ریزساختار و تخلخل نیز می تواند منجر به خستگی شود[2].

خستگی حرارتی برای مبدل های حرارتی مخرب است و می تواند به سرعت باعث خرابی شود [3، 4]. بررسی ها نشان داد که علت اصلی خرابی لوله ها خستگی حرارتی است که ناشی از نوسان دما به دلیل گردش ضعیف آب است. تنش های حرارتی ایجاد شد که منجر به خستگی و نشت آب گردید. در طول بررسی، ترک های محیطی در سرتاسر محور لوله پیدا شد، بنابراین شکست خستگی حرارتی لوله ها را همانطور که در (شکل 1) نشان داده شده است تأیید کرد. این نوع خرابی را می توان با بازرسی منظم برای تشخیص هرگونه علائم خستگی حرارتی و تعویض دوره ای لوله های آسیب دیده اجتناب کرد [3].

شكل 1: ترک های محیطی و ناحیه برآمده

آزودو و همکاران [4] در گزارشی عنوان کردند که یک مبدل حرارتی عمودی ساخته شده از فولاد درجهA ASTM A178 که در یک کارخانه بازیافت حرارت زائد کار می کرد به دلیل خستگی حرارتی از کار افتاد.

لوله ها محیط سیال حرارتی را کنترل می کردند در حالی که دمای ورودی و خروجی لوله ها به ترتیب 200 درجه سانتیگراد و 300 درجه سانتیگراد بود. ترک های گوه ای شروع شده در سطح خارجی و لایه ای به ضخامت 3 میلی متر ازFe3O4-Fe2O3-Fe7S8(هماتیت، مگنتیت، سولفید آهن) در سطح داخلی لوله مشاهده شد. علاوه بر این، لایه اکسید داخلی ترک خورد و یک ترک گوه ای در جهت رشد ترک ایجاد گردید. این لایه اکسید باعث افزایش دما و در نتیجه تسریع خستگی حرارتی می شود که منجر به خرابی لوله ها می شود.

خستگی حرارتی ناشی از افزایش دما یا گرمای بیش از حد موضعی باعث ایجاد ترک عرضی در لوله شد. گرمای بیش از حد باعث کاهش استحکام مواد و محدودیت خستگی گردید که منجر به ترک خوردگی شد. تعداد سختی در ناحیه تحت تأثیر ترک خوردگی در مقایسه با نواحی بدون تأثیر لوله به طور قابل توجهی کمتر بود. با بهینه سازی عملکرد مبدل حرارتی و حذف تشکیل لایه های اکسیدی با کنترل پایداری سیال حرارتی می توان از این نوع خرابی جلوگیری کرد [4].

در مقاله دیگری [5]، در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله ساخته شده از فولاد ضد زنگ 304، نقص هایی در اتصالات جوش داده شده لوله به ورق لوله مشاهده شد. این عیوب ممکن است از رزونانس لوله یا تغییر در دما و فشار سیال درونی در حضور بارگذاری چرخه ای منشاء گرفته شود که می تواند منجر به شروع ترک شود. اتصال جوش داده شده مبدل حرارتی به دلیل شکستگی ناشی از تنش های حرارتی همانطور که از ترک های خستگی مشاهده شد شکست خورد. لوله به طور نامناسب جوش داده شده است و بنابراین، انبساط ناکافی منجر به شروع ترک می شود. نتیجه گیری شد که رعایت روش های استاندارد جوشکاری و کنترل انبساط می تواند از این نوع شکست جلوگیری کند [5].

خستگی ناشی از خوردگی، طول عمر مبدل های حرارتی را کاهش می دهد [6]. یک لوله مبدل حرارتی برنجی مورد استفاده در کاربردهای خنک کننده که در محیطی حاوی آب خنک کننده در سمت لوله و روغن روان کننده در سمت پوسته کار می کند، مورد بررسی قرار گرفت. لوله در حین سرویس و پس از آن دچار نشتی شد.

در معاینه، ترک های زیادی در سطح داخلی مشاهده شد. سطح مقطع لوله های آسیب دیده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد بررسی قرار گرفت. مشخص شد که سطح داخلی دچار حمله خوردگی شدید شده است و منبع اصلی شروع ترک ها است. از بررسی های شیمیایی، استنباط شد که نواحی لوله ای که تحت تأثیر خوردگی شدید قرار گرفته اند در مقایسه با بقیه مناطق آسیب دیده در Zn کاهش یافته اند.

نتیجه گیری شد که لوله برنجی دچار زینک زدایی شده است که باعث شکست خستگی ناشی از خوردگی می شود که باعث ایجاد ترک های موازی متعدد غیر شاخه ای و همچنین ترک های ترانس دانه ای شده است. تعدادی از توصیه ها برای جلوگیری از این شکست ارائه شده است، از جمله افزودن آرسنیک برای کنترل برنج زدایی، و استفاده از آلیاژهای مهار شده برنج آلومینیومی یا مس و مس نیکل مناسب برای محیط های تهاجمی [6].

مکانیزم خزش: قرار گرفتن یک تجهیز در معرض یک محیط تهاجمی است که باعث ایجاد فشار اضافی در طول زمان می شود. عوامل اولیه ای که میزان تغییر شکل را تعیین می کنند شامل: زمان، دما و تنش است که در نهایت منجر به گسیختگی خزشی اجزا می شود. لوله هایی که در معرض شرایط کاری هستند مستعد خزش می باشند و عمر کوتاه تری را تجربه می کنند [7]. تقریباً 30 درصد از خرابی های اجزای مبدل حرارتی به دلیل گسیختگی ناشی از خزش است. آسیب خزش می تواند به شکل شکست های بین دانه ای، ترانس دانه ای یا پارگی در مناطق آسیب دیده به اوج برسد.

یک لوله دیگ آب ساخته شده از فولاد کروم مولیبدنی برای شکست پارگی خزش مورد بررسی قرار گرفت. یک لایه اکسید (ضخامت 0.25 میلی متر) باعث اختلال در خنک کنندگی تجهیز داشت در سیستم تداخل داشت[7].

افزایش دمای لوله: افزایش دما به دلیل عملکرد دوگانه لایه اکسید و گاز دودکش اتفاق افتاد که در دمای 920 درجه سانتیگراد استفاده شد. شواهدی از تشکیل فریت بین دانه ای، فریت ترانس دانه ای و آستنیت بین دانه ای که در نهایت منجر به گسیختگی خزش می شود، یافت شد. تشکیل مارتنزیت در لبه لوله شکسته مشاهده شد. افزایش دما باعث نازک شدن تشدید شد که منجر به کاهش ضخامت لوله شد که مکانیسم شکستگی را به تصویر کشید. گردش آب کافی برای تمیز نگه داشتن لوله دیگ برای جلوگیری از چنین خرابی ضروری تلقی شد [8].

مواد و روش تحقیق

پس از خارج کردن لوله ها از پوسته (شکل شماره 2)، تمامی لوله ها مورد بازرسی چشمی قرار گرفتند و عیب و گسستگی بر روی آنها مشاهده نشد، بر روی تیوب شیت ها نیز تست مایعات نافذ بر اساس استانداردasme section v-articl 6  انجام گرفت که در سمت ورودی هوای داغ ترک های زیاد مشاهده شد( شکل شماره 4) ولی در قسمت تیوب شیت سمت خروجی هوا، عیبی مشاهده نگردید ( شکل شماره 3).

شكل شماره 2: نمایی از مبدل پوسته/لوله كه تیوبهای آن از پوسته جدا شده است.

شكل شماره 3: نمایی از انجام آزمون مایعات نافذ بر روی تیوب شیت

شکل شماره 4: تصاویری از ترک های ایجاد شده در محل های اتصال tube به tube sheet

نتایج و بحث

در مجموع بازرسی های انجام شده از تیوب های مبدل، هر چند دسترسی به تیوب های داخلی میسر نبود ولی به دلیل شرایط بسیار مناسب تیوب های رویی و عدم وجود هر نوع خوردگی بر روی آنها و با نظر به این نکته که شرایط کارکرد و تنش های اعمالی معمولا برای تیوب های رویی سخت تر نیز می گردد، لذا شرایط نشان دهنده این مطلب است که، تیوب های داخلی نیز مانند نمونه های رویی آن بدون عیب و خوردگی بودند. در نتیجه ایجاد نشتی به دلیل خوردگی از هر نوعی بر روی تیوب های مبدل منتفی است و تنها ترک هایی در نواحی اتصالات جوشی و متاثر از حرارت، بین تیوب و تیوب شیت وجود دارند.

ترک های به وجود آمده بر روی جوش و نواحی اطراف آن، تنها در تیوب شیت سمت ورودی هوای داغ مشاهده شده است (شکل شماره 4).

عوامل اصلی ایجاد ترک در نواحی اتصالات، تنش های حرارتی و مکانیکی

1.تنش های حرارتی

یکی از موارد مشاهده شده بر روی تیوب های مبدل پس از جدا شدن از پوسته، وجود رسوبات چسبنده و ضخیم بر روی تیوب های قسمت ورودی هوای داغ بود که با شدت و ضخامت بیشتری تشکیل شده و تا ناحیه ی وسط تیوب ها ادامه داشت و در ادامه کم کم ضخامت کاهش پیدا نموده به صورتی که تا تیوب شیت بعدی اثری از این رسوبات مشاهده نمی گردید(شکل شماره 5).

• در ناحیه اول، از ابتدای تیوب شیت ورودی هوای داغ، ضخامت رسوبات تا 3 میلیمتر تشکیل شده است.
• در ناحیه دوم، رسوبات نازک تری تشکیل و ضخامت آنها در حدود 1 میلیمتر تشخیص داده می شود.
• در ناحیه سوم، بر روی بدنه تیوب ها تا تیوب شیت خروجی هوا، هیچ گونه رسوبی تشکیل نشده است(شکل شماره 5).

شکل شماره 5: نمایی از تشکیل رسوبات بر روی تیوب های مبدل

به صورت کلی همواره تنش های حرارتی ایجاد شده در هنگام تبادل گرمایی، از عوامل اصلی تشکیل رسوبات می باشند. توضیح اینکه حتی در مواردی که آب های صنعتی دارای سختی و TDS بالا هستند چنانچه در ناحیه ای تنش های حرارتی نداشته باشیم هیچ گونه رسوباتی تشکیل نخواهد شد. هر چه گرادیان تبادل حرارتی شدیدتر باشد شدت و ضخامت تشکیل رسوبات نیز بیشتر می گردد. لذا معمولا در مبدل ها و مکان هایی که تبادل حرارتی صورت می گیرد، شاهد تشکیل رسوبات خواهیم بود.

در شرایطی که تبادلات حرارتی شدیدی در مبدل ها در زمان های طولانی وجود داشته باشد، به مرور شاهد رسوبات تشکیل شده در نواحی تبادل حرارتی خواهیم بود. در مبدل مورد بررسی، وجود گرادیان حرارتی شدیدی در ناحیه تیوب های نزدیک به تیوب شیت ورودی هوای داغ هستیم، که این گرادیان به مرور تا تیوب شیت خروجی هوا کاهش می یابد(شکل شماره 6).

شکل شماره 6 : نمایی از دماهای ورودی و خروجی جریان ها و گرادیان حرارتی ایجاد شده در مبدلEA-9206

گرادیان حرارتی در نواحی نزدیک به Tube sheet ورودی هوای داغ، با اختلاف دمای 150 درجه سانتیگراد در مدت 5 سال، باعث شده رسوبات چسبنده و ضخیم در حدود 3 میلیمتر در آن ناحیه تشکیل شود، در راستای تیوب ها هر چه به سمتtube sheetخروجی هوا نزدیک شویم به دلیل کاهش گرادیان حرارتی، شاهد کاهش ضخامت رسوبات تشکیل شده بر روی تیوب ها هستیم و در ناحیه نزدیک به tube sheet خروجی هوا دیگر رسوبی مشاهده نمی گردد ( گرچه جریان های متلاطم (turbulent flow) ایجاد شده در هنگام ورود آب کولینگ در نزدیکی Tube sheet خروجی هوا نیز به عدم ایجاد رسوب در این ناحیه کمک کرده است).

رسوبات تشکیل شده بر روی تیوب ها از نوع کربنات کلسیم می باشد، این نوع رسوبات عایق جریانات حرارتی هستند و هر چه ضخامت این رسوبات در نواحی به وجود آمده بیشتر شود، تبادل حرارتی را در آن نقاط کمتر می کند. عدم تبادل حرارتی صحیح تیوب با جریان آب سرد روی تیوب ها، به مرور باعث بالا رفتن دمای فلز تیوب در قسمت هایی که رسوبات ضخیم تشکیل شده، می گردد. این اتفاق سبب عدم دفع و انتقال حرارت از فلز تیوب شده و احتمال over heat کردن آنها را  بالا خواهد برد، over heat شدن تیوب ها و سپس سرد شدن آنها به دلیل از مدار خارج شدن مبدل و تکرار این اتفاق، سبب ایجاد تنش های حرارتی شده و باعث ایجاد ترک های خزشی می گردد[5].

تنش های پسماند حرارتی به صورت سیکلی به اتصالات جوشکاری شده تیوب شیت تنش وارد کرده و سبب ایجاد ترک های خستگی و خزشی در آن قسمت ها می شود[6]. به همین دلیل است که شاهد ایجاد ترک از سمت Tube sheet ورودی هوای داغ هستیم، ولی در ناحیه اتصالات تیوب به tube sheet خروجی هوا، ترکی مشاهده نمی شود.

علاوه بر عوامل ذکر شده بالا، اختلاف حرارت بالای ایجاد شده بر روی تیوب ها در قسمت tube sheet هوای ورودی داغ و tube sheet خروجی هوا، باعث انبساط حرارتی های متفاوت در دو سمت مبدل می گردد، اختلاف انبساط حرارت در دو سمت مبدل، سبب تشدید تنش های پسماند بر روی قسمت های اتصالی شده و حساسیت آن نقاط را برای ایجاد ترک بالا می برد[7,6].

2. تنش های مکانیکی

فشار تقریبا بالای ورود آب کولینگ به مبدل(~4.2 bar)به همراه جریان های متلاطم ایجاد شده در هنگام ورود آب به قسمت shell، تنش بالایی به تیوب ها وارد می کند. فشار های متناوب ایجاد شده به مرور باعث رها شدن بعضی از تیوب ها از بافل می گردد، در مواجه با فشار و جریان متلاطم آب ورودی، تیوب ها شروع به لرزش نموده و این تنش های مکانیکی و سیکلی، فشارهای بیش از حد، به قسمت های اتصال جوشکاری شده تیوب به tube sheet شده و سبب ایجاد ترک های خستگی می گردد[6].

نتیجه گیری

1. تنش های مکانیکی و تنش های حرارتی  در کنار هم سبب ایجاد ترک های خستگی و خزشی در نواحی اتصال تیوب به tube sheet شده اند و به دلیل حساسیت به وجود آمده در قسمت tube sheet ورودی هوای داغ، تمامی ترک های مشاهده شده در این ناحیه به وجود آمده اند.

2. به وجود آمدن رسوبات چسبنده و ضخیم در تیوب های ناحیه نزدیک به ورودی هوای داغ، عامل اصلی ایجاد این ترک ها می باشد.

3. پیشنهاد می شود سالی یک مرتبه بر روی این مبدل، بدون خارج کردن آن از محل نصب شده، یک لوپ بسته در قسمت ورودی و خروجی آب کولینگ ( قسمت پوسته) جهت رسوب برداری به مدت 5 الی 6 ساعت ایجاد شود. سپس طبق دستورالعمل ارائه شده توسط واحد بازرسی رسوب برداری به روش شیمیایی در آن انجام شود. انجام این عملیات رسوب برداری، به دوره های سالیانه علاوه بر اینکه بازدهی مبدل را بالا نگه می دارد، سبب جلوگیری از اشکالات و عیوب به وجود آمده در مبدل شده و عمر آن را به مراتب افزایش خواهد داد.

4. پیشنهاد می شود به جهت جلوگیری هر چه بیشتر از تشکیل هسته اولیه و رشد ساختمان رسوبات، به صورت جداگانه از Dispersant های پلیمری که بر روی Ph آب کولینگ تاثیری ندارند و ضد رسوب قوی تری نسبت به سایر مواد مشابه می باشد در آب کولینگ استفاده گردد.

مراجع

1. Xiuyun Wang, Lijie Qiao, “Analysis of the causes of the cracking of tube bundles of 316L stainless steel Shell-and-Tube heat exchanger” , Engineering Failure Analysis Volume 139, September 2022, 106484
2. Murad Ali , Anwar Ul-Hamid, “Review of common failures in heat exchangers – Part I: Mechanical and elevated temperature failures” , Engineering Failure AnalysisVolume 109, January 2020, 104396
3. C. R. F. Azevedo and G. S. Alves, Eng. Fail. Anal. 12, 193 (2005).
4. L. Liu, N. Ding, J. Shi, N. Xu, W. Guo, and C.-M. L. Wu, Case Stud. Eng. Fail. Anal. 7, 32 (2016).
5. K. Ravindranath, N. Tanoli, and H. Gopal, Eng. Fail. Anal. 26, 332 (2012).
6. M. Mazaheri, F. Djavanroodi, and K. M. Nikbin, Int. J. Press. Vessel. Pip. 87, 746 (2010).
7. D. R. H. Jones, Eng. Fail. Anal. 11, 873 (2004).