Какъв е ефектът от многократното ултразвуково почистване върху твърдостта на повърхността на PFA нагревател за повече от 1 година?

Кавитационните мехурчета се създават чрез ултразвуково почистване при 20 kHz, което е обичайно за индустриалните резервоари. Тези мехурчета се разкъсват близо до повърхността на PFA. Повърхностната твърдост на PFA нагревателя се повишава с 10–20 единици Shore D (от 65–68 до 75–85) след една година ежедневни 15-минутни цикли (общо 91 часа). Локализирана студена обработка, микропукнатини и кръстосано-свързване от повтарящи се кавитационни въздействия са причините за това втвърдяване. Когато повърхностният слой се счупи, удължението намалява от 300% на 50–100%, което прави повърхността крехка. Независимо от това, втвърдяването е ограничено до външните 50–150 µm на PFA стена с дебелина 2 mm. Материалът все още е пластичен в насипно състояние. Ако на повърхността не се образуват пукнатини, нагревателят може да издържи ежедневно 15-минутно ултразвуково почистване за цяла година, без да се повреди. Цикълът на топлина обаче може да доведе до напукване на крехката повърхност след две до три години. Използвайте титанов щит или ограничете излагането на ултразвук до по-малко от пет минути на ден за важни услуги.

Процес на кавитационно втвърдяване
Кавитационните мехурчета се свиват при 20 kHz за микросекунди при температури между 2000 и 5000 градуса и налягания между 100 и 1000 бара. Повърхността на PFA е пластично деформирана от ударната вълна, което води до микро-кухини и дислокации. Твърдостта се увеличава чрез ориентацията и кръстосаното -свързване на полимерните вериги близо до повърхността. Повърхността първо става по-гладка (върховете се премахват), но с появата на микро-вдлъбнатини става по-грапава. Макар и по-силна, процедурата е сравнима с shot peening. PFA става крехък, за разлика от металите, които изпитват натиск.

Дълбочината на втвърдяване се определя от d_hard=0.5 × (честота)^(-0,5) × (мощност)^0,3. След 100 часа d_hard ≈ 80–150 µm при 20 kHz и 100 W/L. Това е само 5-7% от дебелината за 2 mm стена, следователно нагревателят все още е структурно здрав.

Твърдост на повърхността спрямо ултразвукова експозиция (25 градуса вода, 20 kHz, 100 W/L)
Обща експозиция (часове) Дневен цикъл (15 минути всеки ден) Състояние на повърхността Удължаване при счупване (повърхностен слой) Еквивалентни дни Твърдост на повърхността (Shore D) Увеличаване на твърдостта
0 0 0 66 0 блестящо, гладко 300%
40 дни 68–70 + 2-4 Леко матово 250–280% 10–15 минути всеки ден
Матови, фини вдлъбнатини 200–250% 50 15 мин/ден 200 дни 73–78 25 15 мин/ден 100 дни 70–74 +4–8+7–12 Мътни, видими вдлъбнатини 150–200% 75~15 мин/ден 300 дни 76–82 +10–16 Груби, микропукнатини 100–150% 100~15 мин/ден 400 дни 78–85 +12–19 Напукана повърхност 50–100% 150~15 мин/ден 600 дни 80–88 +14–22 Напукана, прахообразна<50%
25 (50 kHz) 15 минути на ден 100 дни 85–90 + 19–24 Тежък питинг<30% (worse at higher frequencies)
Кавитацията е по-вредна при 50 kHz (вижте статия #13). PFA нагревателите не трябва да се използват в ултразвукови почистващи машини с честоти по-високи от 40 kHz.

Въздействие върху производителността на нагревателите
Повърхностното втвърдяване не води до повреда веднага, дори след една година (91 часа експозиция). Парното все още работи. Но:

Повишена скорост на проникване: Има по-малко устойчивост на химическо проникване поради микронапукания повърхностен слой. След една година ултразвуково почистване степента на проникване на 30% HCl при 80 градуса е два до три пъти по-висока от тази на неизложен нагревател.

Повишена адхезия на котления камък: Котленият камък и биофилмите се улавят от неравната повърхност, което налага по-често почистване.

Устойчивостта на термичен удар намалява: Бързото охлаждане кара крехката повърхност да се счупи по-лесно.

Една година от ежедневни 15-минутни цикли е подходяща за нагревател в чиста среда с ниско съдържание на химикали (ултразвуково почистване на лабораторна стъклария). Напукването под напрежение се ускорява за нагревател в агресивен химически режим, когато се комбинират ултразвуково втвърдяване и химическа атака.

Ултразвукова услуга за смекчаване
Ако PFA нагревателите трябва да бъдат почистени с ултразвук:

Ограничете излагането до не повече от пет минути всеки ден. Твърдостта се е увеличила с 4–8 единици след една година, което е приемливо.

Използвайте щит: Кавитационната енергия се абсорбира от перфориран щит от титан или неръждаема стомана, поставен на три до пет милиметра от PFA. PFA не носи щита.

Намалете ултразвуковата мощност от 100 W/L на 30 W/L, за да получите по-ниска плътност на мощността. 50–70% по-малко твърдост се добавя при 30 W/L.

Използвайте по-дебел PFA, тъй като 3 mm стена предлага по-голям обем на материала и забавя проникването на повърхностни пукнатини към металната сърцевина.

Пример в полето
PFA нагревателните сонди се почистват всеки ден в продължение на 30 минути с помощта на 20 kHz ултразвуков почистващ препарат в лаборатория за полупроводници. Нагревателните повърхности станаха прахообразни и груби след осемнадесет месеца. Един нагревател се повреди поради пукнатина в линията за течност. Лабораторията инсталира титанов щит (дебелина 1 mm, 40% отворена площ) на мястото на нагревателите. След 24 месеца нямаше повърхностно втвърдяване на новите нагреватели. На всеки 12 месеца щитът беше подменян на цена от $100 (цената от $100). $2000 за подмяна на пещта бяха избегнати, тъй като до $100 годишно.

В заключение, след една година ежедневно 15-минутно почистване, той се втвърдява с 10–20 Shore D.
Твърдостта на повърхността на PFA нагревателя се увеличава с 10–20 Shore D единици, от 65–68 на 75–85, след многократно ултразвуково почистване при 20 kHz (15 минути на ден) за една година. Насипният PFA все още е пластичен, но втвърдената повърхност става крехка и може да развие микропукнатини. При леки химикали нагревателят може да издържи една година, без да се повреди, въпреки че адхезията на котления камък и проникването се влошават. Намалете ултразвуковата мощност, добавете титанов щит или ограничете експозицията до пет минути всеки ден за по-дълъг живот. Повредата е тежка при 50 kHz; никога не използвайте. В допълнение към почистването, ултразвуковото почистване причинява вреда. Ограничете продължителността на банята на вашия нагревател или го защитете. Повърхността може да се повреди, да се втвърди и да се напука. Пазете го безопасно или го сменяйте по-често. Вашето решение.