Защо прекомерното{0}}затягане на монтажния фланец на PFA нагревателя може да доведе до преждевременно напукване от напрежение в основата на резбата?

PFA{0}}капсулованите потопяеми нагреватели се закрепват към стените или капаците на резервоара с помощта на монтажни фланци-обикновено изработени от PVDF, полипропилен или неръждаема стомана с PFA формовка. Когато фланецът е затегнат, той притиска уплътнение към повърхността на резервоара, за да направи херметично уплътнение. Инструкциите за монтаж предоставят диапазон на въртящ момент за монтажните болтове, но повреди на място обикновено се появяват в основата на резбите в отворите на болтовете на фланеца или собствения фитинг с резба на нагревателя. Тези пукнатини се появяват седмици или месеци след монтажа, понякога преди нагревателят да е работил много часове. Причината не е нито химическа атака, нито топлинна деградация, а механично пренапрежение по време на монтажа на . PFA, за разлика от металите, показва силно вискоеластично пълзене и няма добре-дефинирана граница на провлачване. Ако дадена инсталация използва въртящ момент, по-голям от определения диапазон, PFA около корена на резбата е подложен на локализиран студен поток и се появяват малки пукнатини. Под комбинираните ефекти на остатъчното напрежение при монтажа и последващите температурни цикли тези пукнатини се развиват в пълни пукнатини. По-доброто разбиране на този процес на повреда включва изследване на концентрацията на напрежение в корените на резбата и зависимо от времето-поведение на повреда на флуорополимерите.

Концентрация на напрежение в корените на резбата при натиск
Резбовото съединение във фланец или фитинг от PFA представлява естествено повишаване на напрежението в основата на всяка резба, при острия радиус, където профилът на резбата среща стеблото на болта. Коефициентът на концентрация на напрежението (Kt) при острия корен на резбата за метални резби е 2,5 до 4,0, така че локалното напрежение е 2,5 до 4,0 пъти по-голямо от номиналното напрежение, получено от натоварването на болта. PFA, имащ по-нисък модул и по-добра пластичност, има дори по-висока ефективна концентрация, тъй като полимерът не може да разпределя натоварването чрез локализирано провлачване толкова ефективно, колкото метала. Изследване с краен елемент на резба M12 във фланец от PFA с въртящ момент на болта от 15 Nm (типично за фланец от 50 mm) показва пиково основно напрежение в основата на резбата от 22-28 MPa в сравнение с номинално напрежение на натиск върху лицето на фланеца от само 3-4 MPa. Тази концентрация на напрежение от 6–8 пъти по-голяма от номиналната се получава, когато PFA се деформира еластично под главата на болта и предпочитано прехвърля сила към първата зацепена резба.

Ако монтажник приложи над-въртящ момент-25 N·m вместо 15 N·m, пиковото напрежение в основата на резбата нараства не-линейно. PFA започва да провлача локално при приблизително 12 до 14 MPa (неговата якост на провлачане при натиск при стайна температура). След поддаване, кривата на напрежение-напрежение достига плато, където се извършва по-нататъшно разтягане без голямо увеличаване на напрежението. Но формата на корена на нишката не позволява равномерно отдаване. Първо материалът в корена отстъпва, а след това зоната на отстъпчивост се разпростира. Пластмасовата зона обхваща приблизително 1,5–2,0 mm от корена на резбата при 25 N·m. При премахване на въртящия момент еластично деформираните зони се опитват да се възстановят, но пластично деформираната зона не се връща в предишната си форма. Това несъответствие оставя остатъчно напрежение на опън в основата - полимерът е ефективно опънат върху малък радиус на основата. Нивото на остатъчното напрежение, оценено чрез фотоеластични методи върху прозрачни проби от PFA, е 4–8 MPa след едно събитие над -въртящ момент. Това остатъчно напрежение само по себе си не е достатъчно, за да предизвика счупване наведнъж, но действа като предварително натоварване, което добавя към работните напрежения.

Преход от напукване към напукване с термичен цикъл
Както при много полукристални полимери, PFA развива пукнатини вместо традиционните пукнатини при умерено напрежение на опън. Крейзът е тънка лента от силно ориентирани полимерни фибрили, простиращи се над празна област, обикновено с ширина 1–5 µm и дължина 50–200 µm. Crazes поглъщат енергия и могат да стабилизират повреда за хиляди цикли на натоварване. Когато фибрилите в лудостта се счупят, обикновено при някаква допълнителна сила или взаимодействие с околната среда, те образуват истински пукнатини. При правилно затегнат фланец (въртящият момент е в рамките на предписания диапазон), всички пукнатини, образувани в корените на резбите, ще останат стабилни за прогнозирания живот на нагревателя, тъй като остатъчното напрежение от монтажа плюс напрежението на топлинния цикъл е под прага на прехода-към-пукнатина. Двата елемента, които улесняват прехода към счупване на фланец с прекомерен въртящ момент, са: Първо, остатъчното напрежение е по-голямо (4-8 MPa срещу . 1-2 MPa за оптимален въртящ момент), което позволява по-малък толеранс преди превишаването на напрежението на напукване. Второ, по-голямата пластмасова зона води до по-дълъг дефект, който инициира лудостта в основата на резбата. Коефициентът на интензивност на напрежението на върха на крейза е пропорционален на корен квадратен от дължината на крейза, следователно по-дълъг първоначален крейз изисква по-малко допълнителна сила за разпространение.

Увеличеното напрежение, дължащо се на термични цикли, превръща стабилните пукнатини в разпространяващи се пукнатини. Всеки път, когато нагревателят преминава от околна към работна температура (напр. 25 градуса до 90 градуса за вана с киселинно ецване), PFA фланецът се разширява повече от металния болт. Това е така, защото коефициентът на топлинно разширение на PFA (100–120 ppm/градус) е около шест пъти по-голям от този на неръждаемата стомана (17 ppm/градус). Това диференциално разширение предизвиква допълнително напрежение на опън в PFA около болта, в допълнение към остатъчното напрежение при монтаж. За 50 mm фланец и 4 x M8 болта, повишаването на температурата от 70 градуса води до допълнително напрежение на опън от 5-7 MPa в PFA около отвора за болта. В добре завъртян фланец общото напрежение (остатъчно 1 - 2 MPa + термично 5 - 7 MPa) е 6 - 9 MPa, под прага от 10 - 12 MPa за преход от-към-пукнатини за повечето степени на PFA. Общото напрежение за фланец със свръх-въртящ момент е 9–15 MPa (остатъчно 4–8 MPa плюс термично 5–7 MPa), което е над прага на прехода. След 100-500 термични цикъла се развиват пукнатини от корена на резбата и напредват през дебелината на фланеца в следващите цикли. Типичното -напукване на стената изисква 1000-3000 цикъла от началото на прехода от лудост към пукнатина, в зависимост от тежестта на прекомерното въртене и работната температура.

Откриване на повреда от свръх-въртящ момент преди нарастване на пукнатината
Повредата, причинена от пре-затягане, не е очевидна на повърхността на външния фланец веднага след монтажа. Пукнатините и пластичната деформация са ограничени до отвора на болта в основата на резбата и не се откриват чрез визуална проверка. Съществуват обаче три не-деструктивни подхода, които могат да открият над-завъртяните PFA фланци, преди пукнатините да достигнат повърхността. Първата техника е измерването на задържането на въртящия момент на болта. Монтирайте фланеца с указания момент на затягане, маркирайте позицията на главата на болта спрямо фланеца, след което проверете отново -въртящия момент след 24 часа при стайна температура. Прекомерно{10}}завъртане и прекомерно-пълзене на PFA ще загуби 30–50% от първоначалния въртящ момент в рамките на 24 часа, когато студеният полимер тече при продължителна компресия. Правилно затегнатият фланец губи само 5-15% от първоначалния въртящ момент. Ако няма видимо изтичане и загубата на въртящ момент е по-голяма от 25%, фланецът вероятно е бил прекомерно-затегнат при тази инсталация или преди това. Вторият вариант е да поставите мерник или фиброоптична сонда в отвора на болта, след като болтът е бил отстранен. При увеличение корените на нишките показват бели петна, процес, наречен стрес избелване, които са резултат от развитие на микро-кухини. Прекомерно завъртяните корени на резбата показват непрекъсната бяла лента по целия корен на първите две нишки. Roots Torqued правилно нямат избелване или отделни малки бели петна.

Третата техника е тестване на електрическата непрекъснатост, когато фланецът има вградена заземена равнина. Това е обичайна конфигурация за PFA нагреватели за полупроводникови приложения. Прекомерното{2}}затягане причинява пукнатини или сериозни напуквания през дебелината на фланеца, което позволява достъп на влага до заземяващата повърхност. Измерете съпротивлението между заземителната равнина и референтния електрод в течността на резервоара. Правилно запечатаният фланец ще показва съпротивление от > 1000 MΩ. Фланец със счупване, започващо от корена на резбата, показва 100–500 MΩ. Фланецът за частично напукване на стената е 1-100 MΩ. Този тест се прилага само за фланци с непрекъснат проводящ слой, а не за всички-PFA фланци. Методът за задържане на въртящия момент е най-надеждният полеви диагностичен метод за всички PFA фланци.

Препоръки за ограничаване на въртящия момент и ръководство за предотвратяване на повреда
Таблицата по-долу предоставя предложените максимални стойности на въртящия момент за типичните PFA фланци и размери на резбата, както и ефектите от превишаването на тези ограничения. Стойностите са за чиста, суха резба без смазване (смазаните резби намаляват триенето и увеличават предварителното натоварване за същия въртящ момент, следователно е необходимо 20 - 30 % намаляване на въртящия момент). Всички препоръки са за PFA при стайна температура по време на монтажа. Стойностите на въртящия момент трябва да бъдат намалени с 15%, ако температурата на фланеца е над 40 градуса по време на монтажа.

Тип на фланеца или фитинга Размер на резбата Препоръчителен диапазон на въртящия момент (N·m) Ограничение на въртящия момент (N·m) Последица от превишаване на ограничението Очаквани цикли до напукване на границата PFA-капсулован фланец, 50 mm диаметър M6 4 до 6 10 Умерен над-въртящ момент: побеляване на напрежението в основата на резбата, 25 до 35% загуба на въртящ момент за 24 часа 500-1000 цикъла ΔT=70 градуса
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 цикъла
PFA обвит фланец, диаметър 100 mm M10 12–16 22 Тежка: пластична деформация на челната страна на фланеца, пукнатини се развиват при първата резба 50–200 цикъла
Твърд фитинг с резба PFA (NPT или BSP) 1/2 инча (DN15) 3–5 8 Риск от оголване на резбата, напукване от напрежение в основата на резбата за дни 10–50 цикъла (честа незабавна повреда)
Твърд фитинг с резба PFA 3/4 инча (DN20) 5-8 12 Напукване на фланеца, фитингът може да блокира болта 20-100 цикъла

Предотвратяването на повреди от свръх{0}}въртящ момент включва избор на инструменти и обучение.