Per què un-parell excessiu de la brida de muntatge de l'escalfador de PFA pot provocar esquerdes prematures per tensió a l'arrel del fil?

Els escalfadors d'immersió encapsulats de PFA-s'enganxen a les parets o tapes del dipòsit mitjançant brides de muntatge-normalment construïts amb PVDF, polipropilè o acer inoxidable amb un sobreemmotllament de PFA. Quan la brida s'estreny, comprimeix una junta contra la superfície del dipòsit per fer un segell estanc als líquids. Les instruccions d'instal·lació proporcionen un rang de parell per als cargols de muntatge, no obstant això, les fallades de camp solen produir-se a l'arrel de les rosques dels forats dels cargols de la brida o del propi accessori roscat de l'escalfador. Aquestes fissures es produeixen setmanes o mesos després de la instal·lació, de vegades abans que l'escalfador hagi funcionat moltes hores. La causa no és ni un atac químic ni una degradació per calor, sinó un sobreesforç mecànic durant la instal·lació del . El PFA, a diferència dels metalls, mostra una fluència viscoelàstica forta i no té un punt de fluència ben definit. Si una instal·lació utilitza un parell superior al rang especificat, el PFA que envolta l'arrel del fil està sotmès a un flux de fred localitzat i es produeix un petit trencament. Sota els efectes combinats de l'estrès residual de la instal·lació i el consegüent cicle de temperatura, aquestes manies es converteixen en esquerdes completes. Una millor comprensió d'aquest procés de fallada implica la investigació de la concentració d'estrès a les arrels del fil i el comportament de fallada-depenent del temps dels fluoropolímers.

Concentració d'esforços a les arrels del fil sota compressió
Una unió roscada en una brida o un accessori PFA presenta un augmentador de tensió natural a l'arrel de cada rosca, al radi agut on el perfil de la rosca es troba amb la tija del cargol. El factor de concentració de tensió (Kt) a l'arrel del fil afilat per a fils metàl·lics és de 2,5 a 4,0, de manera que la tensió local és de 2,5 a 4,0 vegades la tensió nominal derivada de la càrrega del cargol. El PFA, que té un mòdul més baix i una millor ductilitat, té una concentració efectiva encara més alta, ja que el polímer no pot carregar la quota mitjançant un rendiment localitzat tan eficaçment com el metall. L'estudi d'elements finits d'una rosca M12 en una brida PFA amb un parell de cargol de 15 Nm (típic per a una brida de 50 mm) indica una tensió principal màxima a l'arrel de la rosca de 22-28 MPa en comparació amb una tensió de compressió nominal a la cara de la brida de només 3-4 MPa. Aquesta concentració de tensió de 6 a 8 vegades la nominal es produeix quan el PFA es deforma elàsticament sota el cap del cargol i transfereix preferentment la força al primer fil enganxat.

Si un instal·lador supera-parells-25 N·m en comptes de 15 N·m, la tensió màxima a l'arrel de la rosca augmenta de manera no-lineal. El PFA comença a cedir localment entre 12 i 14 MPa (la seva resistència a la compressió a temperatura ambient). Després de cedir, la corba d'estrès-deformació arriba a un altiplà on es produeix una tensió addicional sense que augmenti massa la tensió. Però la forma de l'arrel del fil no permet cedir uniformement. Primer el material a l'arrel cedeix, i després la zona de rendiment s'estén. La zona de plàstic abasta aproximadament 1,5-2,0 mm des de l'arrel del fil a 25 N·m. En eliminar el parell, les zones deformades elàsticament intenten recuperar-se, però la zona deformada plàsticament no torna a la seva forma anterior. Aquest desajust deixa una tensió de tracció residual a l'arrel - el polímer s'estira efectivament sobre un radi de l'arrel de mida inferior. El nivell d'estrès residual, avaluat mitjançant mètodes fotoelàstics en mostres transparents de PFA, és de 4-8 MPa després d'un esdeveniment de sobre-parell. Aquesta tensió residual per si sola no és suficient per produir trencament alhora, sinó que actua com una precàrrega que s'afegeix a les tensions operatives.

Transició del cracking al cracking amb el cicle tèrmic
Com passa amb molts polímers semicristal·lins, el PFA desenvolupa mania en comptes d'esquerdes tradicionals sota una tensió de tracció modesta. Una mania és una banda fina de fibrilles de polímer fortament orientades que s'estenen per una regió buida, normalment d'1-5 µm d'amplada i 50-200 µm de llarg. Les bogeries absorbeixen energia i poden estabilitzar una falla durant milers de cicles de càrrega. Quan les fibril·les en el frenesí es trenquen, normalment per força o interacció addicional amb l'entorn, formen autèntiques esquerdes. En una brida amb un parell correcte (el parell es troba dins de l'interval prescrit), qualsevol enganxament format a les arrels de les rosques es mantindrà estable durant la vida útil projectada de l'escalfador, ja que la tensió residual de la instal·lació més la tensió del cicle tèrmic està per sota del llindar de transició-a-esquerda. Els dos elements que faciliten la transició a la ruptura d'una brida-moltada excessivament són: en primer lloc, la tensió residual és més gran (4-8 MPa vs. 1-2 MPa per a un parell òptim) permetent una menor tolerància abans de superar la tensió de trencament. En segon lloc, la zona de plàstic més gran provoca un defecte més llarg que inicia el frenesí a l'arrel del fil. El factor d'intensitat de l'estrès a la punta de la bogeria és proporcional a l'arrel quadrada de la longitud de la bogeria, per tant, una bogeria inicial més llarga requereix menys força addicional per propagar-se.

L'augment de la tensió a causa del cicle tèrmic converteix les bogeries estables en esquerdes propagadores. Cada vegada que l'escalfador passa de temperatura ambient a temperatura operativa (per exemple, 25 graus a 90 graus per a un bany de gravat àcid), la brida PFA s'expandeix més que el cargol metàl·lic. Això es deu al fet que el coeficient d'expansió tèrmica de PFA (100-120 ppm/grau) és aproximadament sis vegades el de l'acer inoxidable (17 ppm/grau). Aquesta expansió diferencial indueix un esforç de tracció addicional en el PFA que envolta el cargol, a més de l'esforç residual d'instal·lació. Per a brides de 50 mm i 4 cargols M8, un augment de temperatura de 70 graus provoca un esforç de tracció addicional de 5-7 MPa al PFA al voltant del forat del cargol. En una brida ben torsionada, la tensió general (1 - 2 MPa residual + 5 - 7 MPa tèrmica) és de 6 - 9 MPa, per sota del llindar de 10 - 12 MPa per a la transició de bogeria-a-esquerda per a la majoria de graus de PFA. La tensió total d'una brida-moltada per sobre de parell és de 9–15 MPa (4–8 MPa residuals més 5–7 MPa tèrmics), que està per sobre del llindar de transició. Després de 100-500 cicles tèrmics, es desenvolupen esquerdes des de l'arrel del fil i progressen pel gruix de la brida en els cicles següents. L'esquerda típica a través de la-paret necessita 1.000-3.000 cicles des de l'inici de la transició de la bogeria a l'esquerda, depenent de la gravetat de l'excés de parell i de la temperatura de funcionament.

Detecció de danys per sobre-parell abans del creixement de les esquerdes
Els danys causats per un-parell excessiu no són evidents a la superfície de la brida exterior immediatament després de la instal·lació. Les manies i la deformació plàstica es limiten al forat del cargol a l'arrel del fil i no es poden detectar mitjançant una inspecció visual. Tanmateix, hi ha tres enfocaments no-destructius que poden detectar brides de PFA-sobrecobertes abans que les esquerdes arribin a la superfície. La primera tècnica és la mesura de la retenció del parell del cargol. Instal·leu la brida al parell especificat, marqueu la posició del cap del cargol respecte a la brida i, a continuació, -comproveu el parell després de 24 hores a temperatura ambient. El PFA-molt excessiu i-excés de fluïdesa perdrà entre un 30 i un 50% del parell inicial en 24 hores quan el polímer flueix en fred sota una compressió sostinguda. La brida amb un parell correcte perd només un 5-15% del parell original. Si no hi ha fuites aparents i la pèrdua de parell és superior al 25%, és probable que la brida s'hagi trepitjat-en aquesta instal·lació o abans. La segona opció és col·locar un abast del forat o una sonda de fibra òptica al forat del cargol després d'haver retirat el cargol. Sota l'augment, les arrels del fil mostren pegats blanquejats, un procés anomenat blanqueig per estrès, que són el resultat del desenvolupament de micro-buits. Les arrels de fil amb un parell excessiu presenten una banda blanca contínua al llarg de tota l'arrel dels dos primers fils. Les arrels Torqued correctament no tenen blanqueig ni taques blanques petites aïllades.

La tercera tècnica és la prova de continuïtat elèctrica quan la brida té un pla de terra incrustat. Aquesta és una configuració comuna per als escalfadors PFA per a aplicacions de semiconductors. Un-parell excessiu provoca esquerdes o esquerdes greus a través del gruix de la brida, permetent l'accés de la humitat al pla de terra. Mesureu la resistència entre el pla de terra i un elèctrode de referència al líquid del dipòsit. La brida segellada correctament indicarà una resistència > 1.000 MΩ. Una brida amb una fractura que comença a l'arrel del fil presenta 100–500 MΩ. La brida de trencament de la paret parcial és d'1-100 MΩ. Aquesta prova només s'aplica a les brides amb una capa conductora contínua i no a totes les-brides PFA. El mètode de retenció de parell és el mètode de diagnòstic de camp més fiable per a les brides de PFA.

Recomanacions de límit de parell i Guia de prevenció de fallades
La taula següent proporciona valors de parell màxim suggerits per a les mides típiques de brida i rosca de PFA, i els efectes de superar aquestes limitacions. Els valors són per a una rosca neta i seca sense lubricació (les fils lubricades redueixen la fricció i augmenten la precàrrega amb el mateix parell, per tant, cal una reducció del parell del 20 - 30 %). Totes les recomanacions són per a PFA a temperatura ambient durant la instal·lació. Els valors de parell s'han de reduir un 15% si la temperatura de la brida és superior a 40 graus durant la instal·lació.

Tipus de brida o roscada Mida de rosca Interval de parell recomanat (N·m) Límit de parell (N·m) Conseqüència de l'excediment del límit Cicles esperats fins a esquerdar-se al límit PFA-brida encapsulada, 50 mm de diàmetre M6 4 a 6 10 Moderat sobre-parell de blanqueig de rosca: 3% de tensió de 5% de torsió de blanqueig: parell en 24 hores 500-1.000 cicles ΔT=70 grau
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 cicles
Brida revestida de PFA, diàmetre 100 mm M10 12–16 22 Sever: deformació plàstica de la cara de la brida, es desenvolupen esquerdes a la primera rosca 50-200 cicles
Racores roscats de PFA sòlid (NPT o BSP) 1/2 polzada (DN15) 3–5 8 Risc de trencament de rosca, esquerdes per tensió a l'arrel de la rosca en dies 10 a 50 cicles (falla immediata comuna)
Racor roscat de PFA sòlid de 3/4 de polzada (DN20) 5-8 12 Esquerdament de la brida, l'ajust pot agafar-se en cicles de cargol de 20 a 100

La prevenció de danys per sobre-parell implica la selecció i l'entrenament d'eines.