Hvorfor kan over-tilspænding af PFA-varmerens monteringsflange føre til for tidlig spændingsrevnedannelse ved gevindroden?

PFA-indkapslede dykvarmere fastgøres til tankvægge eller låg ved hjælp af monteringsflanger-typisk fremstillet af PVDF, polypropylen eller rustfrit stål med en PFA-overform. Når flangen strammes, komprimerer den en pakning mod tankoverfladen for at lave en væsketæt forsegling. Installationsvejledningen angiver et drejningsmomentområde for monteringsboltene, men fejl i felten forekommer almindeligvis ved roden af ​​gevindene i flangens boltehuller eller varmelegemets eget gevindbeslag. Disse sprækker opstår uger eller måneder efter installationen, nogle gange før varmeren har kørt mange driftstimer. Årsagen er hverken et kemisk angreb eller en varmenedbrydning, men en mekanisk overbelastning under installationen af ​​. PFA viser, i modsætning til metaller, stærk viskoelastisk krybning og intet vel-defineret flydepunkt. Hvis en installation bruger et drejningsmoment, der er større end det specificerede område, udsættes PFA, der omgiver gevindroden, for lokalt koldt flow, og der opstår små krakeleringer. Under de kombinerede virkninger af resterende installationsbelastning og efterfølgende temperaturcyklus udvikler disse diller sig til fuldstændige revner. En bedre forståelse af denne svigtproces involverer undersøgelse af spændingskoncentrationen ved trådrødderne og den tidsafhængige-fejladfærd for fluorpolymerer.

Spændingskoncentration ved trådrødder under kompression
En gevindforbindelse i en PFA-flange eller fitting præsenterer en naturlig spændingsforhøjer ved roden af ​​hvert gevind, ved den spidse radius, hvor gevindprofilen møder boltskaftet. Spændingskoncentrationsfaktoren (Kt) ved den skarpe gevindrod for metalgevind er 2,5 til 4,0, således at den lokale spænding er 2,5 til 4,0 gange den nominelle spænding afledt af boltbelastningen. PFA, der har lavere modul og bedre duktilitet, har endnu højere effektiv koncentration, da polymeren ikke kan belastningsandel gennem lokaliseret udbytte lige så effektivt som metal. Finite element undersøgelse af et M12-gevind i en PFA-flange med et boltmoment på 15 Nm (typisk for en 50 mm flange) indikerer en maksimal hovedspænding ved roden af ​​gevindet på 22-28 MPa sammenlignet med en nominel trykspænding på forsiden af ​​flangen på kun 3-4 MPa. Denne spændingskoncentration på 6-8 gange den nominelle opstår, da PFA deformeres elastisk under bolthovedet og fortrinsvis overfører kraft til det første gevind, der er i indgreb.

Hvis en installatør over-momenter-25 N·m i stedet for 15 N·m, øges topspændingen ved roden af ​​tråden ikke-lineært. PFA begynder at give sig lokalt ved ca. 12 til 14 MPa (dets trykudbyttestyrke ved stuetemperatur). Efter ydelse rammer stress-tøjningskurven et plateau, hvor yderligere strækning finder sted uden stor stigning i stress. Men formen på trådroden tillader ikke ensartet eftergivelse. Først giver materialet ved roden efter, og derefter breder ydelseszonen sig ud. Plastzonen spænder omkring 1,5-2,0 mm fra gevindroden ved 25 N·m. Ved fjernelse af drejningsmomentet forsøger de elastisk deformerede zoner at komme sig, men den plastisk deformerede zone vender ikke tilbage til sin tidligere form. Denne uoverensstemmelse efterlader en resterende trækspænding ved roden - polymeren strækkes effektivt over en underdimensioneret rodradius. Residualspændingsniveauet, evalueret ved fotoelastiske metoder på transparente PFA-prøver, er 4-8 MPa efter én over-momenthændelse. Denne restspænding alene er ikke tilstrækkelig til at frembringe brud på én gang, men fungerer som en forbelastning, der øger driftsspændingerne.

Overgang fra krakning til krakning med termisk cykling
Som med mange semikrystallinske polymerer udvikler PFA krakeleringer i stedet for traditionelle revner under beskeden trækspænding. En dille er et tyndt bånd af stærkt orienterede polymerfibriller, der strækker sig over et hulområde, typisk 1-5 µm i bredden og 50-200 µm i længden. Crazes er energiabsorberende og kan stabilisere en fejl i tusindvis af belastningscyklusser. Når fibrillerne i vanviddet går i stykker, normalt under en vis ekstra kraft eller interaktion med omgivelserne, danner de rigtige revner. I en korrekt tilspændt flange (drejningsmomentet er inden for det foreskrevne område), vil eventuelle revner, der dannes ved rødderne af gevindene, forblive stabile i varmelegemets forventede levetid, da den resterende spænding fra installation plus den termiske cyklusspænding er under grænseværdien for-til-revneovergang. De to elementer, der letter overgangen til brud på en flange med over-moment, er: For det første er restspændingen større (4-8 MPa vs.. 1-2 MPa for optimalt drejningsmoment), hvilket tillader mindre tolerance, før revnespændingen overskrides. For det andet resulterer den større plastikzone i en længere defekt, der sætter gang i vanviddet ved trådroden. Spændingsintensitetsfaktoren ved dillespidsen er proportional med kvadratroden af ​​dille-længden, derfor kræver en længere initial dille mindre ekstra kraft for at forplante sig.

Den øgede spænding på grund af termisk cykling forvandler stabile diller til udbredende revner. Hver gang varmelegemet skifter fra omgivelsestemperatur til driftstemperatur (f.eks. 25 grader til 90 grader for et syreætsningsbad), udvider PFA-flangen sig mere end metalbolten. Dette skyldes, at PFA's termiske udvidelseskoefficient (100-120 ppm/grad) er omkring seks gange højere end for rustfrit stål (17 ppm/grad). Denne differentielle ekspansion inducerer en ekstra trækspænding i PFA omkring bolten, ud over den resterende installationsspænding. For 50 mm flange og 4 x M8 bolte resulterer en temperaturstigning på 70 grader i yderligere 5-7 MPa trækspænding i PFA omkring bolthullet. I en flange med et godt drejningsmoment er den samlede spænding (resterende 1 - 2 MPa + termisk 5 - 7 MPa) 6 - 9 MPa, under 10 - 12 MPa-tærsklen for overgang fra krakelering-til-revne for de fleste PFA-kvaliteter. Samlet spænding for en flange med over-moment er 9–15 MPa (resterende 4–8 MPa plus termisk 5–7 MPa), hvilket er over overgangstærsklen. Efter 100-500 termiske cyklusser udvikler der sig revner fra gevindroden og går hen over flangetykkelsen i de næste cyklusser. Typisk gennem-vægrevner kræver 1.000-3.000 cyklusser fra begyndelsen af ​​overgangen fra dille til revne, afhængigt af sværhedsgraden af ​​overspænding og driftstemperatur.

Registrering af over-momentskader før revnevækst
Skader forårsaget af over-drejning er ikke tydelig på overfladen af ​​den ydre flange umiddelbart efter installationen. Knæk og plastisk deformation er begrænset til bolthullet ved gevindroden og kan ikke detekteres ved visuel inspektion. Der er dog tre ikke-destruktive tilgange, der kan detektere over-spændte PFA-flanger, før revnerne når overfladen. Den første teknik er måling af boltens drejningsmoment. Installer flange til det specificerede drejningsmoment, markér bolthovedets position i forhold til flangen, og kontroller derefter drejningsmomentet igen efter 24 timer ved stuetemperatur. Over-moment og overdrevent-krybende PFA vil miste 30-50 % af det oprindelige drejningsmoment inden for 24 timer, når polymerkulden flyder under vedvarende kompression. Korrekt tilspændt flange mister kun 5-15 % af det oprindelige drejningsmoment. Hvis der ikke er nogen tilsyneladende lækage, og drejningsmomenttabet er større end 25 %, er flangen sandsynligvis blevet over-momenteret i denne installation eller før. Den anden mulighed er at placere et boringskop eller en fiberoptisk sonde i bolthullet, efter at bolten er blevet fjernet. Under forstørrelse viser trådrødderne hvide pletter, en proces kaldet stressblegning, som er resultatet af udvikling af mikro-tomrum. Overspændte gevindrødder udviser et kontinuerligt hvidt bånd langs hele roden af ​​de to første gevind. Rødder, der er skruet ordentligt til, har ingen blegning eller isolerede små hvide pletter.

Den tredje teknik er elektrisk kontinuitetstest, når flangen har et indlejret jordplan. Dette er en almindelig konfiguration for PFA-varmere til halvlederapplikationer. Over-drejning forårsager revner eller alvorlige revner gennem flangetykkelsen, hvilket giver fugt adgang til jordplanet. Mål modstanden mellem jordplanet og en referenceelektrode i tankvæsken. Korrekt forseglet flange vil indikere modstand på > 1.000 MΩ. En flange med et brud, der begynder ved en gevindrod, udviser 100–500 MΩ. Den delvise revneflange er 1-100 MΩ. Denne test gælder kun for flanger med et kontinuerligt ledende lag og ikke alle-PFA-flanger. Momentfastholdelsesmetoden er den mest pålidelige feltdiagnosemetode for alle-PFA-flanger.

Vejledning til drejningsmomentgrænse og forebyggelse af fejl
Tabellen nedenfor giver foreslåede maksimale drejningsmomentværdier for typiske PFA-flange- og gevindstørrelser og virkningerne af at overskride disse begrænsninger. Værdierne er for et rent, tørt gevind uden smøring (smurte gevind reducerer friktionen og øger forspændingen for det samme drejningsmoment, derfor er en drejningsmomentreduktion på 20 - 30 % nødvendig). Alle anbefalinger er for PFA ved stuetemperatur under installationen. Momentværdier bør sænkes med 15 %, hvis flangetemperaturen er over 40 grader under installationen.

Flange- eller fittingstype Gevindstørrelse Anbefalet drejningsmomentområde (N·m) Momentgrænse (N·m) Konsekvens af overskridelse af grænse Forventede cyklusser til revnedannelse ved grænse PFA-indkapslet flange, 50 mm diameter M6 4 til 6 10 Moderat over rod{{4} 5 drejningsmoment: moderat over rod{{4} 5 drejningsmoment: drejningsmoment på 24 timer 500-1.000 cyklusser ΔT{10}} grad
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40 % 200-500 cyklusser
PFA-indkapslet flange, diameter 100 mm M10 12–16 22 Alvorlig: plastisk deformation af flangefladen, revner udvikles ved første gevind 50-200 cyklusser
Solid PFA gevindfitting (NPT eller BSP) 1/2 tomme (DN15) 3–5 8 Gevindafisolering risiko, spændingsrevner ved gevindrod i dage 10-50 cyklusser (umiddelbar fejl almindelig)
Solid PFA gevindfitting 3/4 tomme (DN20) 5-8 12 Revner af flange, fitting kan sætte sig fast på bolt20-100 cyklusser

Forebyggelse af over-momentskader involverer valg af værktøj og træning.