Как да се предвиди увеличаването на електрическия ток на утечка, тъй като PFA обвивката старее във влажни киселинни пари при 130 градуса?

Електрическото изолационно съпротивление на обвивката намалява със стареенето на PFA нагревателя във влажни киселинни пари (HCl, H2SO4, HNO3 или смесени киселини при 130 градуса) и токът на утечка се увеличава. Нарастването се ускорява като уравнение-на Арениус, токът на утечка се удвоява на всеки 1000-2000 часа в зависимост от вида на киселината и концентрацията. Токът на утечка на нов PFA нагревател при 130 градуса в сух въздух е < 0,01 mA. След 2000 часа във влажна HCl пара (30% концентрация, 130 градуса) токът на утечка може да се увеличи до 0,1–0,5 mA. При 5000 часа той може да достигне до 1-5 mA, достигайки обичайните нива на задействане на GFCI (5-30 mA). Ако можете да предвидите покачването, можете да го замените, преди да причини неприятно спъване или замърсяване. Моделът за прогнозиране взема предвид скоростта на проникване, киселинната проводимост и времето, необходимо за генериране на проводимо покритие на интерфейса PFA-метал.

Механизми за стареене на тока на утечка на PFA
Leakage currents travel from the metal heating element (120–480 VAC) to ground over two parallel paths: (1) through the PFA bulk (volume resistivity, ∼10¹⁶ Ω·cm for new PFA) and (2) along the PFA-metal contact (surface conductivity, modified by moisture and corrosion products). New PFA, volume resistivity >10^15 ohm-cm, ток на утечка<0.001 micro-A-negligible. As the heater ages acid vapours infiltrate through the PFA wall (see Article #35 for HCl permeation rates. Acid will condense at the PFA–metal interface (if the interface temperature is below the dew point of the acid). The condensed acid provides a thin layer of electrolyte of conductivity based on acid concentration and temperature. The metal core corrodes slowly, and the metal ions that are produced increase the conductivity of the electrolyte. The leakage current is I=V/R where R decreases with increasing the conductive film.

Скоростта на нарастване на тока на утечка се управлява от скоростта на проникване на киселина, която се управлява от закона на Фик. Скоростта на проникване на HCl през 2 mm PFA при 130 градуса е 0,5–1,5 g/m²·ден. Общо проникнала киселина за 5000 часа (208 дни)=0.5–1,5 × 0,5 m2 (средна площ на нагревателя) × 208=52–156 килограма HCl, достигаща повърхността-достатъчно за образуване на проводимо покритие.

Модел за прогнозиране на тока на утечка
Емпирични данни от изпитване за ускорено стареене (130 градуса / мокри киселинни пари/ 2 mm стена от PFA) водят до следното прогнозно уравнение I(t)=I initial * exp(t/τ), където τ (времева константа на удвояване на тока на утечка) варира в зависимост от типа киселина:

Сух въздух (контрола): τ > 100 000 h (без значително увеличение)

Влажен HCl (10–30 %) τ=1,500–2500 часа.

Мокра H2SO4 (50-70%) τ=800-1500 часа

Мокър HNO3 (30-50%): τ=2,000-3000 h

Мокра смесена киселина (напр. царска вода): τ=500-1000 hr

HF мокро (10–50%) τ=1,000–2000 часа

t=2,000 часа за PFA нагревател в 30% HCl пара при 130 C. Токът на утечка при t=0 е 0,01 mA. При t=2,000 h I=0.01 × e 1=0.027 mA. При t=4,000 часа, I=0.01 exp(2)=0.074 mA. При t=6000 часа, I=0.01×exp(3)=0.20 mA. I=0.01 × exp(5)=1.48 mA при t=10,000 часа. Това все още е под типичните граници на изключване от 5-30 mA, което показва, че изключването на GFCI поради изтичане на интерфейс е малко вероятно да бъде първият режим на повреда. Вместо това първоначално има корозия или изгаряне на сърцевината (вижте член #65). Токът на утечка е подходящ предиктор само ако е по-голям от 0,5-1,0 mA, което показва значително влошаване на интерфейса.

Практическо прогнозиране и наблюдение
За обслужване с мокри киселинни пари, определете базовия ток на утечка за нагреватели след 100 часа работа (за стабилизиране на първоначалната абсорбция на влага). Тествайте с GFCI тестер или мегаомметър в режим на ток на утечка. Запишете стойността му (обикновено 0,01 до 0,10 mA). Тримесечен индикатор. Графирайте върху полу-лог хартия. Поставете експоненциална крива, за да предвидите кога утечката ще достигне 5 mA (или нивото на алармата за вашето съоръжение). Изберете τ от таблицата по-горе за конкретната киселина. Ако измерването е предвидено (бързо нарастване), проверете нагревателя за повреда.

Така за нагревател с измерен ток на утечка от 0,2 mA при 4000 часа (предвидени 0,074 mA) действителният τ=4,000 / ln(0,2/0,01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 часа-по-бързо от предвиденото. Този нагревател подлежи на превантивна подмяна през следващите 2000 часа.

Смекчаване за намаляване на увеличаването на тока на утечка
За да забавите нарастването на тока на утечка:

Степента на проникване може да се намали с 40-60 % чрез използване на по-дебела PFA стена (2,5-3,0 mm).

Намалена работна температура (степента на проникване е наполовина за всяко намаление от 10 градуса).

Поддържайте студената част над точката на оросяване, за да избегнете кондензация (вижте член #67).

Добавете продухване с азот (сух N 2, 0,1–0,2 bar) към охладената секция, за да отстраните проникналата киселина преди кондензация.

Съгласно член #87, посочете темпериран PFA (по-висока кристалност, по-ниска пропускливост).

Заключение: Токът на утечка в HCl се удвоява на всеки 1500 до 2500 часа.
Токът на утечка на PFA нагревателите във влажни киселинни пари при 130 градуса нараства експоненциално с времето. Времевите константи на удвояване са τ=1,500-2500 h за HCl, 800-1500 h за H2SO4 и 500-1000 h за смесени киселини. Измерванията на тока на утечка на всеки 500–1000 часа ще позволят прогнозиране на оставащия живот, преди утечката да достигне критични нива (5 mA за GFCI изключване, 1 mA за ранно предупреждение). В повечето приложения скоростта на развитие на тока на утечка е умерена и не води до преждевременно изключване на GFCI, а по-скоро до корозия или изгаряне на сърцевината. Въпреки това, за течности с високо съпротивление (DI вода, свръхчиста вода), когато дори ток на утечка от 0,5 mA е неприемлив, най-добрият ранен предиктор за влошаване на обвивката е мониторингът на тока на утечка. Осигурете непрекъснат монитор за течове с аларма при 0,5 mA. Предвидете замяната, когато експоненциалното напасване прогнозира 1,0 mA през следващите 2000 часа. Преди да пътувате: наблюдавайте, моделирайте, сменете. Това е предсказуема поддръжка.