Waarom kan te-het aandraaien van de montageflens van de PFA-verwarmer leiden tot voortijdige spanningsscheuren bij de draadwortel?

PFA-ingekapselde dompelverwarmers worden aan tankwanden of deksels bevestigd met montageflenzen-doorgaans gemaakt van PVDF, polypropyleen of roestvrij staal met een PFA-overmold. Wanneer de flens wordt vastgedraaid, wordt een pakking tegen het tankoppervlak gedrukt om een ​​vloeistofdichte afdichting te creëren. De installatie-instructies geven een aandraaimoment voor de montagebouten aan, maar fouten in de praktijk treden vaak op aan de basis van de schroefdraad in de boutgaten van de flens of in de schroefdraadfitting van de verwarmer. Deze scheuren ontstaan ​​weken of maanden na de installatie, soms voordat de verwarming veel bedrijfsuren heeft gedraaid. De oorzaak is geen chemische aantasting of hittedegradatie, maar een mechanische overbelasting tijdens de installatie van de . PFA vertoont, in tegenstelling tot metalen, een sterke visco-elastische kruip en geen goed-gedefinieerd vloeipunt. Als een installatie een koppel gebruikt dat groter is dan het gespecificeerde bereik, wordt de PFA rond de draadwortel onderworpen aan plaatselijke koude stroming en ontstaan ​​er kleine haarscheurtjes. Onder de gecombineerde effecten van resterende installatiespanning en daaropvolgende temperatuurwisselingen ontwikkelen deze haarscheurtjes zich tot complete scheuren. Voor een beter begrip van dit faalproces is onderzoek nodig naar de spanningsconcentratie bij de draadwortels en het tijdsafhankelijke faalgedrag van fluorpolymeren.

Spanningsconcentratie bij draadwortels onder druk
Een schroefdraadverbinding in een PFA-flens of fitting presenteert een natuurlijke spanningsverhoger aan de basis van elke schroefdraad, op de scherpe straal waar het schroefdraadprofiel de boutschacht raakt. De spanningsconcentratiefactor (Kt) bij de scherpe draadwortel voor metalen schroefdraden is 2,5 tot 4,0, zodat de lokale spanning 2,5 tot 4,0 maal de nominale spanning is die wordt afgeleid van de boutbelasting. PFA, dat een lagere modulus en een betere ductiliteit heeft, heeft een zelfs hogere effectieve concentratie, omdat het polymeer niet zo effectief kan worden belast door plaatselijke opbrengst als metaal. Eindige-elementenstudie van een M12-schroefdraad in een PFA-flens met een boutkoppel van 15 Nm (typisch voor een flens van 50 mm) duidt op een piekhoofdspanning aan de wortel van de draad van 22-28 MPa, vergeleken met een nominale drukspanning op het oppervlak van de flens van slechts 3-4 MPa. Deze spanningsconcentratie van 6–8 keer de nominale waarde treedt op wanneer PFA elastisch vervormt onder de boutkop en bij voorkeur kracht overbrengt op de eerste schroefdraad.

Als een installateur meer dan-aandraaimomenten-25 N·m maakt in plaats van 15 N·m, neemt de piekspanning aan de basis van de schroefdraad niet-lineair toe. Het PFA begint lokaal te vloeien bij ongeveer 12 tot 14 MPa (de drukvloeigrens bij kamertemperatuur). Na het meegeven bereikt de spannings-rekcurve een plateau waar verdere spanning plaatsvindt zonder veel toename van de spanning. Maar de vorm van de draadwortel staat een gelijkmatige meegeven niet toe. Eerst bezwijkt het materiaal bij de wortel, en dan verspreidt de meegevende zone zich. De plastische zone overspant ongeveer 1,5–2,0 mm vanaf de draadwortel bij 25 N·m. Bij verwijdering van het koppel proberen de elastisch vervormde zones zich te herstellen, maar de plastisch vervormde zone keert niet terug naar zijn vorige vorm. Deze mismatch laat een resterende trekspanning achter bij de wortel - het polymeer wordt effectief uitgerekt over een te kleine wortelradius. Het restspanningsniveau, geëvalueerd met behulp van foto-elastische methoden op transparante PFA-monsters, bedraagt ​​4–8 MPa na één gebeurtenis met te veel koppel. Deze restspanning alleen is niet voldoende om in één keer te breken, maar werkt als een voorbelasting die de bedrijfsspanningen vergroot.

Overgang van haarscheurtjes naar kraken met thermisch fietsen
Zoals bij veel semikristallijne polymeren, ontwikkelt PFA bij een bescheiden trekspanning haarscheurtjes in plaats van traditionele scheuren. Een rage is een dunne band van sterk georiënteerde polymeerfibrillen die zich uitstrekken over een leeg gebied, doorgaans 1–5 µm breed en 50–200 µm lang. Crazes absorberen energie en kunnen een fout gedurende duizenden belastingscycli stabiliseren. Wanneer de fibrillen tijdens de razernij breken, meestal onder enige extra kracht of interactie met de omgeving, vormen ze echte scheuren. Bij een correct aangedraaide flens (het koppel ligt binnen het voorgeschreven bereik) zullen eventuele scheurtjes gevormd aan de wortels van de schroefdraden stabiel blijven gedurende de verwachte levensduur van de verwarmer, omdat de restspanning van de installatie plus de thermische cyclusspanning onder de overgangsdrempel van scheur- naar- scheur ligt. De twee elementen die de overgang naar het breken van een te-aangedraaide flens vergemakkelijken zijn: Ten eerste is de restspanning groter (4-8 MPa versus. 1-2 MPa voor optimaal koppel), waardoor er minder tolerantie is voordat de haarscheurspanning wordt overschreden. Ten tweede resulteert de grotere plastische zone in een langer defect dat de waanzin bij de draadwortel initieert. De spanningsintensiteitsfactor bij de punt van de haarscheurtje is evenredig met de vierkantswortel van de lengte van de haarscheurtje, daarom vereist een langere aanvankelijke haarscheurtje minder extra kracht om zich voort te planten.

De verhoogde spanning als gevolg van thermische cycli verandert stabiele haarscheurtjes in zich voortplantende scheuren. Elke keer dat de verwarmer van omgevings- naar bedrijfstemperatuur gaat (bijvoorbeeld 25 graden naar 90 graden voor een zuuretsbad), zet de PFA-flens meer uit dan de metalen bout. Dit komt omdat de thermische uitzettingscoëfficiënt van PFA (100–120 ppm/graad) ongeveer zes keer zo hoog is als die van roestvrij staal (17 ppm/graad). Deze differentiële uitzetting veroorzaakt een extra trekspanning in de PFA rond de bout, naast de resterende installatiespanning. Voor flens van 50 mm en 4 x M8-bouten resulteert een temperatuurstijging van 70 graden in een extra trekspanning van 5-7 MPa in de PFA rond het boutgat. In een flens met goed aandraaimoment is de totale spanning (resterende 1 - 2 MPa + thermische 5 - 7 MPa) 6 - 9 MPa, onder de 10 - 12 MPa-drempel voor de overgang van scheur-naar-scheuren voor de meeste PFA-kwaliteiten. De totale spanning voor een flens met een te hoog aandraaimoment is 9–15 MPa (resterend 4–8 MPa plus thermisch 5–7 MPa), wat hoger is dan de overgangsdrempel. Na 100-500 thermische cycli ontstaan ​​er scheuren vanaf de draadwortel, die zich in de volgende cycli over de flensdikte voortzetten. Normaal gesproken kost scheuren door-wanden 1.000-3.000 cycli vanaf het begin van de overgang van scheur naar scheur, afhankelijk van de ernst van het overmatig aandraaien en de bedrijfstemperatuur.

Detecteren van meer dan- koppelschade vóór scheurgroei
Schade veroorzaakt door te veel aandraaien-is niet direct na installatie zichtbaar op het oppervlak van de buitenflens. De haarscheurtjes en plastische vervorming blijven beperkt tot het boutgat bij de draadwortel en zijn niet waarneembaar door visuele inspectie. Er zijn echter drie niet-destructieve benaderingen die over-aangedraaide PFA-flenzen kunnen detecteren voordat de scheuren het oppervlak bereiken. De eerste techniek is het meten van het behoud van het boutkoppel. Installeer de flens met het gespecificeerde aanhaalmoment, markeer de positie van de boutkop ten opzichte van de flens en controleer het aanhaalmoment opnieuw- na 24 uur bij kamertemperatuur. PFA met te veel -aandraaimomenten en te veel-kruipen verliest binnen 24 uur 30-50% van het initiële koppel als het polymeer onder aanhoudende compressie koud vloeit. Met de juiste aandraaimomenten verliest de flens slechts 5-15% van het oorspronkelijke koppel. Als er geen duidelijke lekkage is en het koppelverlies groter is dan 25%, is de flens waarschijnlijk tijdens deze installatie of eerder te hoog aangedraaid. De tweede optie is om een ​​boringscope of glasvezelsonde in het boutgat te plaatsen nadat de bout is verwijderd. Onder vergroting vertonen de draadwortels witte plekken, een proces dat 'stress whitening' wordt genoemd en die het resultaat zijn van de ontwikkeling van micro-holtes. Overgedraaide draadwortels vertonen een doorlopende witte band langs de gehele wortel van de eerste twee draden. Wortels die op de juiste manier zijn getorqueerd, hebben geen wittere of geïsoleerde kleine witte vlekken.

De derde techniek is het testen van de elektrische continuïteit wanneer de flens een ingebed aardvlak heeft. Dit is een gebruikelijke configuratie voor PFA-verwarmers voor halfgeleidertoepassingen. Als u te- te veel aandraait, ontstaan ​​er scheuren of ernstige haarscheurtjes in de flensdikte, waardoor vocht toegang krijgt tot het grondvlak. Meet de weerstand tussen het aardvlak en een referentie-elektrode in de tankvloeistof. Een goed afgedichte flens geeft een weerstand aan van > 1.000 MΩ. Een flens met een breuk die begint bij een draadwortel vertoont 100–500 MΩ. De gedeeltelijke scheurflens door de muur is 1-100 MΩ. Deze test is alleen van toepassing op flenzen met een doorlopende geleidende laag en niet op alle-PFA-flenzen. De koppelbehoudmethode is de meest betrouwbare velddiagnostische methode voor volledig PFA-flenzen.

Aanbevelingen voor koppellimieten en gids voor het voorkomen van storingen
De onderstaande tabel geeft aanbevolen maximale koppelwaarden voor typische PFA-flens- en schroefdraadmaten, en de gevolgen van het overschrijden van deze beperkingen. Waarden gelden voor een schone, droge schroefdraad zonder smering (gesmeerde schroefdraad vermindert de wrijving en verhoogt de voorspanning bij hetzelfde koppel, daarom is een koppelreductie van 20 - 30% nodig). Alle aanbevelingen gelden voor PFA bij kamertemperatuur tijdens de installatie. De koppelwaarden moeten met 15% worden verlaagd als de flenstemperatuur tijdens de installatie hoger is dan 40 graden.

Flens- of fittingtype Draadgrootte Aanbevolen koppelbereik (N·m) Koppellimiet (N·m) Gevolg van overschrijding van de limiet Verwachte cycli tot scheuren bij limiet PFA-ingekapselde flens, diameter 50 mm M6 4 tot 6 10 Matig over-koppel: spanningsverbleking bij de draadwortel, 25 tot 35% verlies aan koppel in 24 uur 500-1000 cycli ΔT=70 graad
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 cycli
Met PFA omhulde flens, diameter 100 mm M10 12–16 22 Ernstig: plastische vervorming van het flensvlak, er ontstaan ​​scheuren bij de eerste schroefdraad 50–200 cycli
Massieve PFA-schroefdraadfitting (NPT of BSP) 1/2 inch (DN15) 3–5 8 Risico op draadstrippen, spanningsscheuren bij de draadwortel in dagen 10–50 cycli (onmiddellijke storing komt vaak voor)
Stevige PFA-schroefdraadfitting 3/4 inch (DN20) 5-8 12 Barsten in de flens, fitting kan vastlopen op de bout 20-100 cycli

Voor het voorkomen van over-koppelschade is gereedschapselectie en training vereist.