تأثیرات دما، فشار و ارتعاش بر عملکرد مبدل‌های حرارتی Shell and Tube
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (Shell & Tube Heat Exchangers) از پرکاربردترین تجهیزات در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاه‌ها هستند.
این تجهیزات اغلب تحت شرایط عملیاتی سخت شامل دماهای بالا، فشارهای زیاد و ارتعاش‌های مکانیکی کار می‌کنند.
هر کدام از این عوامل در صورت کنترل‌نشدن می‌توانند موجب خستگی مکانیکی، نشت، تغییر شکل و کاهش راندمان حرارتی شوند.
آنچه در این پست میخوانید
۱. تأثیر دما بر مبدل‌های پوسته و لوله
انبساط و انقباض حرارتی
تغییرات دمایی باعث انبساط یا انقباض اجزای مختلف مبدل مانند تیوب‌ها، تیوب شیت و پوسته می‌شود.
اگر این تغییرات به‌درستی پیش‌بینی و در طراحی لحاظ نشود، تنش‌های حرارتی ایجاد می‌شود که منجر به موارد زیر می‌گردد:
ترک‌های حرارتی در جوش‌ها و نواحی اتصال
تغییر شکل (Deformation) پوسته یا تیوب شیت
نشتی در اتصال Tube to Tube Sheet
از بین رفتن هم‌محوری بفل‌ها و تیوب‌ها
به همین دلیل در طراحی مبدل‌ها از Expansion Joint یا Floating Head استفاده می‌شود تا انبساط حرارتی جبران شود.
خوردگی ناشی از دما
افزایش دما سرعت واکنش‌های شیمیایی را بالا می‌برد و در نتیجه خوردگی شیمیایی و اکسیداسیون تسریع می‌شود.
برای کنترل این اثر:
- باید از متریال‌های مقاوم به حرارت (مثل آلیاژهای نیکل یا استنلس استیل) استفاده شود.
- کنترل دقیق دمای سیال‌ها از طریق ابزار دقیق انجام گیرد.
- عملیات Post Weld Heat Treatment (PWHT) به‌درستی اجرا شود تا تنش‌های پسماند کاهش یابد.
۲. تأثیر فشار بر عملکرد و ایمنی مبدل
تنش‌های فشاری داخلی
افزایش فشار کاری موجب ایجاد تنش‌های فشاری در پوسته، تیوب‌ها و نازل‌ها می‌شود.
اگر ضخامت دیواره کافی نباشد یا خوردگی داخلی رخ داده باشد، ممکن است شکست فاجعه‌بار اتفاق بیفتد.
اثرات فشار بالا شامل:
- له‌شدگی یا ترک در نواحی جوش پوسته و هدها
- نشتی در فلنج‌ها و نازل‌ها
- پارگی تیوب در محل اتصال به تیوب‌شیت
- خستگی حرارتی-مکانیکی در شرایط سیکلی (Pressure Cycling)
استاندارد طراحی مبدل‌ها در برابر فشار معمولاً طبق ASME Section VIII Division 1 یا 2 انجام می‌شود و باید در بازرسی دوره‌ای (API 510) صحت ضخامت‌ها کنترل گردد.
پدیده فشار ناگهانی (Pressure Shock)
در برخی واحدها، تغییرات ناگهانی فشار (مثلاً باز و بسته شدن سریع شیرها یا خاموش شدن پمپ‌ها) باعث ضربه فشاری (Water Hammer) می‌شود.
این پدیده می‌تواند به:
- شکست تیوب‌ها
- تغییر شکل تیوب‌باندل
- نشت در اتصالات Tube to Tube Sheet
منجر شود.
برای جلوگیری از آن باید شیرها به‌آرامی عمل کنند و سیستم دارای Venting و Drain مناسب باشد.
۳. تأثیر ارتعاش بر مبدل‌های حرارتی
منشأ ارتعاش
ارتعاش در مبدل‌های حرارتی می‌تواند ناشی از:
- جریان سیال با سرعت بالا در تیوب‌ها
- ضربات مکانیکی از پمپ‌ها و کمپرسورها
- عدم هم‌ترازی ساپورت‌ها یا فونداسیون ضعیف باشد.
اثرات ارتعاش
ارتعاش‌های مداوم باعث بروز پدیده Vibration-Induced Fatigue در تیوب‌ها می‌شود که معمولاً در نواحی تماس با بفل‌ها یا Tube Sheet رخ می‌دهد.
پیامدهای آن:
- ترک‌های خستگی (Fatigue Cracks)
- سوراخ شدن موضعی تیوب‌ها
- کاهش طول عمر مفید مبدل
- افزایش احتمال نشت بین دو سیال
روش‌های کنترل ارتعاش
- طراحی صحیح فاصله بفل‌ها (Baffle Spacing)
- کنترل سرعت سیال و جلوگیری از پدیده جریان ناپایدار
- استفاده از ساپورت‌ها و نگهدارنده‌های ضد ارتعاش (Anti-Vibration Baffle)
- اجرای تحلیل ارتعاش (Vibration Analysis) به‌صورت دوره‌ای
۴. اثرات ترکیبی دما، فشار و ارتعاش
در عمل، این سه عامل معمولاً هم‌زمان عمل می‌کنند و تأثیر متقابل دارند.
به‌عنوان مثال:
افزایش دما باعث کاهش مقاومت مکانیکی متریال در برابر فشار می‌شود.
ارتعاش در دمای بالا احتمال ترک حرارتی را افزایش می‌دهد.
فشار سیکلی همراه با تغییرات دمایی منجر به خستگی حرارتی (Thermal Fatigue) می‌شود.
بنابراین در طراحی و بازرسی باید اثر هم‌زمان آن‌ها تحلیل شود. استفاده از استانداردهای API 579-1 / ASME FFS-1 برای ارزیابی تناسب برای سرویس (Fitness for Service) در این موارد ضروری است.
۵. راهکارهای عملی برای کاهش اثرات مخرب
1. کنترل دما:
- نصب ترموکوپل‌ها و سیستم آلارم افزایش دما
- استفاده از Expansion Joint یا Floating Head
2. کنترل فشار:
- نصب PSV (Pressure Safety Valve)
- مانیتورینگ مداوم فشار در هر دو سمت پوسته و لوله
- انجام تست هیدرواستاتیک طبق ASME VIII
3. کنترل ارتعاش:
- تحلیل و بالانس تجهیزات دوار متصل
- پایش ارتعاش با سنسورهای آن‌لاین
- تنظیم سرعت جریان در محدوده ایمن طراحی
4. بازرسی و نگهداری منظم:
- بازرسی دوره‌ای ضخامت تیوب‌ها و پوسته (UT)
- بررسی نشتی و ترک‌ها با PT و RT
- اجرای تعمیرات پیشگیرانه (Preventive Maintenance)
