Как да се предвиди оставащият полезен живот на PFA нагревател след многократни инциденти със сухо-пожар в станция за изплакване?

Капсулираните потопяеми нагреватели PFA се използват в станции за изплакване при мокра обработка на полупроводници, линии за галванопластика и процеси на прецизно почистване за поддържане на температури на банята между 60 градуса и 90 градуса. Източването на резервоара, частичното зареждане и цикълът на преливната система са често срещани и причиняват нередовни промени в нивото на течността в тези станции. Когато нивото на течността е по-ниско от дължината на активния нагревател, обвивката от PFA губи основното си охлаждане и преминава в режим на сух-огън. Нагревателите с PFA покритие нямат незабавния видим индикатор за прегряване, както нагревателите с метална обвивка, когато работят на сухо, като светят в червено. По време на суха работа флуорополимерът се нагрява вътрешно и температурата на външната повърхност се повишава от нормалните 90–100 градуса до 250–300 градуса в рамките на 60–120 секунди. Всеки сух{14}}пожар причинява кумулативни щети на PFA слоя: стрес от топлинно разширение, молекулярно разпадане и създаване на микроскопични кухини. За да се предвиди оставащият полезен живот след многобройни инциденти, е необходимо да се оцени тежестта на всеки сух-пожар и да се приложи модел на натрупване, базиран на кинетиката на разграждане на Arrhenius.

Сух{0}}пожар Механизми за термично увреждане
PFA поддържа механичната си цялост до около 260 градуса за кратки експозиции, но продължителните експозиции над 260 градуса задействат три механизма на разграждане. Първият е топлинно разрязване на полимерния скелет. Над 280 градуса въглерод-флуорните връзки започват да се разкъсват с откриваеми скорости, което води до ниско{6}}молекулни-фрагменти, които дифундират извън полимерната матрица. Тази процедура намалява средното молекулно тегло на PFA и отслабва неговата якост на опън и удължение при скъсване. Лабораторните термогравиметрични изследвания показват, че PFA при 300 градуса може да се изпари с 0,5-1,0% от масата си всеки час. Доказано е, че съпротивлението на материала срещу разпространението на фрактури се намалява значително чрез 10 минути сух-огън при 310 градуса, което води до намаляване на молекулното тегло от около 5–8%. Втората стъпка е окисляване на всички останали крайни групи или замърсители от обработката. Въпреки че PFA е много устойчив на окисляване в сравнение с въглеводородите, много високите температури, постигнати по време на сухо изпичане, позволяват на кислорода от околната среда да реагира с нестабилни краища на веригата, за да произведе карбонил флуорид и други видове, които катализират по-нататъшно разграждане. Този окислителен слой се проявява като светложълто-кафяво обезцветяване на повърхността, обикновено в рамките на първите 2-3 цикъла на изсушаване.

Третият и най-вреден структурно път е чрез образуване на кухини от остатъчни летливи вещества. PFA съдържа следи от влага (100-500 ppm), абсорбирана от околната среда, и малки количества уловени производствени разтворители. При типична потопена работа тези летливи вещества се разтварят в полимерната матрица. При сух -огън бързото повишаване на температурата кара влагата да се превърне в пара при налягания, по-високи от границата на провлачване на полимера, създавайки малки сферични кухини със среден диаметър от 5 до 20 µm. Тези кухини концентрират механични напрежения по време на последващ топлинен цикъл и действат като иницииращи места за образуване на фрактура. Сканираща електронна микроскопия на обвивки от PFA след три 5-минутни прояви на сух огън при 280 градуса разкри концентрации на празнини от 100–300 празнини на квадратен милиметър във вътрешната трета от дебелината на стената, най-близо до металната нагряваща сърцевина. Всяко празно място намалява ефективното носещо напречно сечение и също така функционира като средство за повишаване на напрежението. Тъй като плътността на кухините се увеличава над приблизително 500 кухини/mm2, животът на материала при термични цикли намалява от 10 000 цикъла до по-малко от 500 цикъла.

Количествено определяне на щетите за всеки инцидент със сух{0}}пожар
Не всички сухи{0}}пожари предизвикват еднакво опустошение. Скоростта на влошаване се определя от максималната постигната температура на обвивката и периода от време, прекаран над критичните прагове. В случай на стандартен капсулован нагревател PFA-, работещ при 5 W/cm² във водна баня от 80 градуса, температурата на обвивката се повишава след предвидима крива, когато се извади от течността. През първите 30 секунди на суха работа външната повърхност се повишава от 80 градуса на 180 градуса. Температурата се повишава от 180 градуса до 260 градуса от 30 до 90 секунди. След 90 секунди температурата се доближава до диапазона на топене на PFA (305–315 градуса) и вътрешната защита от прегряване на нагревателя трябва да се задейства. Сух{20}}пожар в рамките на 30 секунди (пикова температура<180°C) causes little permanent damage, since the PFA remains far below its thermal breakdown threshold. A 30-60 s (peak temperature 180-240°C) event results in modest annealing of residual stress but little chain scission or void formation. The destructive regime begins after 60 seconds dry operation when the surface temperature is higher than 260°C. Based on the Arrhenius model, the acceleration factor for the degradation of PFA is around 12 for every 20°C increase above 260°C. In practice, a dry-fire event at 300°C for 2 minutes results in about identical cumulative degradation as 24 minutes at 260°C.

Индексът на щети от сух-пожар (DDI) дава практическа мярка за сравняване на събития. DDI=t експозиция ×exp[(T peak -T ref )/T 0 ] където T ref =260 градус, T 0 =18 градус (на базата на енергията на активиране на термично разграждане на PFA) и t експозиция е времето над 200 градуса в часове. За единично събитие с T peak=280 степен за 5 минути (0,083 часа), DDI=0.083 × exp[(20)/18]=0.083 × 3.04=0.25. По-сериозно събитие, при 310 градуса за 10 минути (0,167 часа) води до DDI=0.167 x exp [ (50)/18]=0.167 x 16.0=2.67. Ускореното изпитване на живота на 50 нагревателя в контролирани цикли на сух-пожар показва, че праговият кумулативен DDI преди повреда е около 15–20 за конвенционална 1,5 mm обвивка от PFA при обслужване на станция за миене. Няма очевидно влошаване на повърхността при кумулативни стойности на DDI под 5 и механичните характеристики все още са в рамките на 90% от първоначалните стойности. Наблюдава се обезцветяване на повърхността между DDI 5 и 12, удължението при скъсване е намалено с 30-50% и началото на счупването се очаква след 1000-2000 допълнителни топлинни цикъла. Ако DDI е над 15, нагревателят е в състояние с висок риск, при което всеки допълнителен термичен стрес, включително типично циклично захранване, може да предизвика напукване на стената и електрически утечки.

Методи за оценка на оставащия живот след събитие със сух пожар.
Най-точната прогноза за оставащия живот на нагревател, който е бил на сухо-изгаряне и няма документация за инцидента, е чрез разрушителен тест на жертвен модул. Разрежете по периферията PFA обвивката на три места: в средата на нагрятата дължина, 5 cm от студения край и на всяко място, което показва обезцветяване. Наблюдавайте напречното-сечение при 50–100x увеличение. Пребройте кухините на квадратен милиметър във вътрешната половина на дебелината на стената. Плътността на кухините под 50 кухини/mm2 показва умерено натрупано увреждане (DDI < 5). Плътност от 50 до 200 празнини/mm2 съответства на умерено увреждане (DDI 5–12). Плътност, по-висока от 200 кухини/mm2, съответства на голяма повреда (DDI > 12). Също така, направете тест за огъване на 10 mm широка лента от материала на обвивката след отстраняване от металната сърцевина. 180 степен на огъване на PFA, оригинални или слабо повредени, без счупване около 5 mm дорник. Средно{27}}увреденият материал се счупва след огъване на 90–120 градуса. Материал с големи щети се счупва при огъване на повече от 30-45 градуса.

Оценката на-на място може да се извърши чрез-неразрушително полево изпитване. Въпреки това, точността на полеви тестове е по-малка. С помощта на мегаом-метър измерете електрическото съпротивление на изолацията между нагревателния елемент и земята при 500 V DC. Изолационното съпротивление на нов PFA нагревател (сух) е над 1000 MΩ. Това се намалява от микроскопични пространства и карбонизирани разпадни продукти след поражение от сух пожар. Показанията между 100 и 500 MΩ сигнализират за умерена повреда, въпреки че системата може да се използва безопасно с допълнителен мониторинг. Ако показанието е между 10 и 100 M? щетите са големи и провалът е неизбежен. Ако показанието е под 10 MΩ, нагревателят трябва да се смени незабавно, тъй като защитата от повреда на земята- може да не се задейства надеждно при такива стойности. По време на тест с контролирано-включване използвайте термовизионна камера с нагревател в частично потопено положение до определено ниво. Сравнете температурата на повърхността на сухо-изпечената част с тази на съседна част, която е била под вода в предишни събития. Температурна разлика, по-голяма от 15 C при същата входяща мощност, е показател за по-слабо предаване на топлина поради натрупване на кухини или разрушаване на повърхността. Наблюдавайте тази температурна разлика с течение на времето, покачването с 5 градуса на месец означава увеличаване на деградацията.

Ръководство за оценка на натрупаните щети и замяна
Следната таблица дава рамка за вземане на решения за PFA нагреватели в станции за изплакване със записана или прогнозна история на сух-пожар, резултати от диагностични тестове и критичността на процеса. Всички препоръки се основават на това, че нагревателят няма видими физически повреди, като изгаряне или напукване.

Документирана история на сух{0}}пожар или кумулативно DDI съпротивление на изолация (500 V DC) Плътност на кухините (кухини/mm²) Препоръчително действие и очакван оставащ живот
Не е известен сух{0}}пожар или единично събитие<30 seconds (DDI < 1) >1,000 MΩ <20 Normal operation Life expectancy is greater than 20,000 operating hours. Special monitoring: None.
1–3 импулса от 30–90 секунди всеки (DDI 1–5) 500–1000 MΩ 20–50 Продължавайте да работите.