Типът метална сърцевина (Incoloy срещу Titanium) променя ли издръжливостта на адхезия на обвивката от PFA при циклично излагане на пара?

При циклично парно обслужване (редуване на наситена пара при 120–180 градуса с охлаждане или кондензат) издръжливостта на адхезия на PFA обвивката към металната сърцевина се различава драматично за Incoloy и титаниеви сърцевини. Коефициентът на топлинно разширение (CTE) на титана е 8–9 ppm/градус, докато този на Incoloy е 14–17 ppm/градус. PFA има CTE от 110 до 120 ppm/градус. Несъответствието на CTE между PFA и титан (110 срещу 8.5=13× разлика) е по-голямо, отколкото между PFA и Incoloy (110 срещу 15,5 ≈ 7× разлика). Това по-голямо несъответствие води до по-високо междинно напрежение на срязване по време на топлинен цикъл, което може да намали устойчивостта на адхезия. Но собственият оксид на титана TiO 2 се свързва по-добре с PFA, отколкото смесените оксиди на Incoloy Cr 2 O 3, Fe 2 O 3 и NiO. На практика по-високото несъответствие на КТР на титана се компенсира от неговата по-силна химическа адхезия. Полевите проучвания показват, че PFA нагревателите с титаниево-сърцевина имат издръжливост на адхезия, подобна или по-голяма от тези на Incoloy-сърцевина, когато са подложени на циклично излагане на пара, ако титановата повърхност е подходящо подготвена (анодизирана или плазмено-обработена). Нетретираният титан се справя зле; обработеният титан бие Incoloy.

Адхезионни механизми и щам на несъответствие на CTE
Адхезията между PFA и металното ядро ​​включва механично блокиране (грапавост на повърхността) и химическо свързване (взаимодействие с флуор -метален оксид). Титанът образува стабилен, дебел слой от TiO2, който реагира с функционални групи в модифициран PFA (праймери или свързващи слоеве). Смесеният оксид, образуван в инколой, е по-малко активен. Механичното заключване се образува от потока PFA в микро-грапавостта на повърхността (Ra 1–3 µm) по време на процеса на екструзия. Металното ядро ​​и PFA реагират по различен начин на циклично излагане на пара, като се разширяват и свиват с различни скорости. За нагревател с дължина 1 m, промяна на температурата от 100 градуса (напр. . 180 градуса пара до 80 градуса вода) води до диференциално разширение на ΔL=(CTE_PFA – CTE_metal) × L × ΔT. Инколой: (110–16)×10−6 × 1000 × 100=9,4 mm. За титан: (110 – 8,5) x 10-6 x 1000 x 100=10.2 mm. Диференциалното движение е с 0,8 mm повече за титаниевото ядро, което води до 8–10% увеличение на междуфазовото срязващо напрежение. Това означава, че титанът има по-ниска устойчивост на адхезия, но полеви данни показват обратното.

The key is titanium's stronger chemical bond (Ti-O-CF2) that can take higher strain before debonding. The adhesion strength of PFA to suitably prepared titanium is 8-12 MPa (peel test) and to Incoloy 4-7 MPa. The somewhat higher strain is more than compensated by the higher bond strength (>2×).

Издръжливост на адхезия при Cylic Steam (10 000 цикъла, 120 градуса до 180 градуса пара, след това охлаждане до 80 градуса)
Подготовка на повърхността на металната сърцевина Първоначална адхезия (отлепване MPa) Адхезия след 5000 цикъла (MPa) Адхезия след 10 000 цикъла (MPa) Режим на повреда Относителен живот Incoloy 825 As-екструдиран (гладък) 3-4 1-2<1 (delaminated) Interface separation 1.0× Incoloy 825 Sandblasted + primer 5-7 3-5 2-3 Cohesive in primer 2-3× Titanium Grade 2 As-extruded (untreated) 2-3 0.5-1 (failed) <0.5 Poor initial bond 0.5×
Титан клас 2 Само пясъкоструен 4–6 2–4 1–2 Механично заключване не работи 1,5 × Анодизиран (сярна киселина) 7-9 5-7 4-5 Кохезивен в оксиден слой 4-5 × Титан клас 2 Плазмено напръскан с грунд 9-12 7-10 5-8 Смесено 5-8 ×
Титаниева сплав 6Al-4V (клас 5) анодизирана 8-11 6-9 5-7Много отлична 6–8× Практически съображения за избор на нагревател
За циклична обработка с пара (автоклави, реактори с парно нагряване, стерилизатори) изборът на метална сърцевина зависи от вида на материала и подготовката на повърхността:

Ако производителят използва нормално пясъкоструене + грундиране, използвайте Incoloy. Incoloy е по-толерантен към подготовката на повърхността и ще осигури приемлива адхезия за повечето циклични парни услуги (5 000-10 000 цикъла).

Изберете подходящо подготвен титан (анодиран, плазмено обработен) за най-добра издръжливост на адхезия (10 000-20 000 цикъла). Титанът също така има по-добра устойчивост на корозия към оксидиращи киселини и хлориди, които могат да присъстват в парния кондензат.

Не използвайте титан в необработено състояние (екструдиран, гладък или силно грапав). ще се разслои бързо при циклична пара

За обслужване с пара над 180 градуса, несъответствието на CTE в титан става все по-значимо, когато PFA омекне. Следователно Incoloy може да бъде за предпочитане над 200 градуса. Това се дължи на по-малката диференциална деформация (по-близък CTE) и следователно по-малко напрежение при пълзене на интерфейса.

Примерно поле
The pharmaceutical steriliser utilises Incoloy core PFA heaters and normal sandblasting. The heaters lasted 3 to 4 years (≈8000 cycles). The second batch was made with titanium cores with anodised surface treatment. The titanium heaters have been in use for 6+ years (>15 000 цикъла). Корозията от съдържащия се в хлорид парен кондензат, който генерира хлътване върху повърхностите на Incoloy, също беше премахнато от титаниевите сърцевини (докато хлътването не повлия директно на адхезията, това беше проблем). Понастоящем заводът изисква анодизиран титан за всички парни услуги над 130 градуса.

Симптоми на повреда и проверка
PFA нагревател може да се повреди поради загуба на адхезия при циклична пара. PFA обвивката може да се надуе или да образува мехури, без да се напука (парата запълва празнината). При сериозна повреда PFA може да се отдели напълно и да остави металната сърцевина открита. Прост полеви тест: капацитет между металната сърцевина и външен електрод. Увеличенията на капацитета (въздушна междина от разслояване) са показателни за загуба на адхезия. 20-50% увеличение спрямо базовата линия е разслояващ нагревател. Стабилният капацитет е добър нагревател.

Заключение: Добре подготвеният титан побеждава Incoloy
Cyclic steam exposure tests indicate that properly prepared titanium (anodised or plasma-treated) has 4-8X better adhesion durability than untreated Incoloy, and 2-3X better than primed Incoloy. Titanium has a greater CTE mismatch with PFA but this is offset by the stronger chemical connection (Ti-O-CF_2). Incoloy is better than untreated titanium. For cyclic steam service over 120°C, specify anodised titanium with verified adhesion test results (peel strength >6 MPa initial, >3 MPa след 5000 термични цикъла). Не приемайте "титаниево ядро", без да определите подготовката на повърхността. Важна е подготовката, а не основният материал. Титанът, направен правилно, печели. Лошо подготвеният титан не работи. Знайте разликата. • Посочете подготовката. • Посочете тестовата адхезия. • Удължете живота. Парата е гадна. Ядрото ви трябва да е по-силно. Избирайте внимателно.