Mijenja li vrsta metalne jezgre (Incoloy naspram Titanium) trajnost prianjanja PFA plašta pod cikličkim izlaganjem pari?

U cikličkoj pari (izmjenično zasićena para na 120-180 stupnjeva s hlađenjem ili kondenzatom) izdržljivost prianjanja PFA omotača na metalnu jezgru dramatično se razlikuje za jezgre od Incoloya i titana. Koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) titana je 8-9 ppm/stupnju dok je kod Incoloya 14-17 ppm/stupnju. PFA ima CTE od 110 do 120 ppm/stupanj. CTE neusklađenost između PFA i titana (110 vs 8.5=13× razlika) je veća nego između PFA i Incoloy (110 vs 15,5 ≈ 7× razlika). Ova veća neusklađenost dovodi do većeg međufaznog smičnog naprezanja tijekom termičkog ciklusa što može umanjiti trajnost prianjanja. Ali titanov vlastiti oksid TiO 2 veže se bolje na PFA nego Incoloyevi miješani oksidi Cr 2 O 3, Fe 2 O 3 i NiO. U praksi, veća CTE neusklađenost titana nadoknađuje se njegovom jačom kemijskom adhezijom. Studije na terenu pokazuju da PFA grijači s jezgrom od titana imaju izdržljivost prianjanja sličnu ili veću od jedinica s jezgrom od Incoloy-kada su podvrgnuti cikličkom izlaganju pari, ako je površina od titana odgovarajuće pripremljena (anodizirana ili plazma-tretirana). Netretirani titan ima loše rezultate; tretirani titan pobjeđuje Incoloy.

Mehanizmi prianjanja i deformacija neusklađenosti CTE
Adhezija između PFA i metalne jezgre uključuje mehaničko međusobno spajanje (hrapavost površine) i kemijsko povezivanje (interakcija fluor-metalni oksid). Titan tvori stabilan, debeli sloj TiO2 koji reagira s funkcionalnim skupinama u modificiranom PFA (primers ili tie layers). Mješoviti oksid nastao u inkoliju manje je aktivan. Mehanička blokada nastaje protokom PFA u površinske mikro-hrapavosti (Ra 1–3 µm) tijekom procesa ekstruzije. Metalna jezgra i PFA različito reagiraju na cikličko izlaganje pari, šireći se i skupljajući različitim brzinama. Za grijač duljine 1 m, promjena temperature od 100 stupnjeva (npr. . 180 stupnjeva para na 80 stupnjeva vode) dovodi do diferencijalne ekspanzije od ΔL=(CTE_PFA – CTE_metal) × L × ΔT. Inkoloj: (110–16)×10−6 × 1000 × 100=9,4 mm. Za titan: (110 – 8,5) x 10-6 x 1000 x 100=10.2 mm. Diferencijalno pomicanje je 0,8 mm više za titansku jezgru, što rezultira 8-10% povećanjem međupovršinskog smicanja. To implicira da titan ima nižu izdržljivost prianjanja, međutim terenski podaci pokazuju suprotno.

The key is titanium's stronger chemical bond (Ti-O-CF2) that can take higher strain before debonding. The adhesion strength of PFA to suitably prepared titanium is 8-12 MPa (peel test) and to Incoloy 4-7 MPa. The somewhat higher strain is more than compensated by the higher bond strength (>2×).

Izdržljivost prianjanja pod cikličkom parom (10 000 ciklusa, 120 stupnjeva do 180 stupnjeva pare, zatim kaljenje na 80 stupnjeva)
Priprema površine metalne jezgre Početna adhezija (ljuštenje MPa) Adhezija nakon 5000 ciklusa (MPa) Adhezija nakon 10 000 ciklusa (MPa) Način kvara Relativni vijek trajanja Incoloy 825 As-ekstrudirano (glatko) 3-4 1-2<1 (delaminated) Interface separation 1.0× Incoloy 825 Sandblasted + primer 5-7 3-5 2-3 Cohesive in primer 2-3× Titanium Grade 2 As-extruded (untreated) 2-3 0.5-1 (failed) <0.5 Poor initial bond 0.5×
Titan Grade 2 Samo pjeskaren 4–6 2–4 1–2 Mehanička brava ne radi 1,5×Anodizirano (sumporna kiselina) 7-9 5-7 4-5 Kohezivno u oksidnom sloju 4-5× Titan Grade 2 Plazma raspršena s primerom 9-12 7-10 5-8 Miješano 5-8×
Legura titana 6Al-4V (razred 5) eloksiran 8-11 6-9 5-7Vrlo izvrstan 6–8× Praktična razmatranja za odabir grijača
Za cikličku paru (autoklavi, reaktori grijani parom, sterilizatori) izbor metalne jezgre ovisi o vrsti materijala i pripremi površine:

Ako proizvođač koristi normalno pjeskarenje + temeljni premaz, koristite Incoloy. Incoloy je tolerantniji na pripremu površine i osigurat će prihvatljivo prianjanje za većinu cikličkih parnih radova (5.000-10.000 ciklusa).

Odaberite prikladno pripremljen titan (anodiziran, plazma tretiran) za najbolju trajnost prianjanja (10.000-20.000 ciklusa). Titan također ima bolju otpornost na koroziju na oksidirajuće kiseline i kloride koji mogu biti prisutni u parnom kondenzatu.

Nemojte koristiti titan u neobrađenom stanju (ekstrudiran, gladak ili jako hrapav). brzo će se raslojiti pod cikličkom parom

Za rad s parom iznad 180 stupnjeva, neusklađenost CTE-a u titanu je sve značajnija kada PFA omekša. Stoga bi Incoloy mogao biti poželjniji iznad 200 stupnjeva. To je zbog manjeg diferencijalnog naprezanja (bliži CTE) i stoga manjeg naprezanja puzanja na sučelju.

Primjer polja
The pharmaceutical steriliser utilises Incoloy core PFA heaters and normal sandblasting. The heaters lasted 3 to 4 years (≈8000 cycles). The second batch was made with titanium cores with anodised surface treatment. The titanium heaters have been in use for 6+ years (>15 000 ciklusa). Korozija uzrokovana parnim kondenzatom koji je sadržavao klorid koji je stvarao rupičastu mrlju na Incoloy površinama također je uklonjena pomoću titanskih jezgri (iako rupičasta rupa nije izravno utjecala na prianjanje, bila je zabrinjavajuća). Tvornica trenutno zahtijeva anodizirani titan za sve parne usluge iznad 130 stupnjeva.

Simptomi kvara i pregled
PFA grijač može otkazati zbog gubitka prianjanja pod cikličkom parom. PFA omotač može nabubriti ili stvoriti mjehuriće bez pucanja (para ispunjava prazninu). U teškim kvarovima PFA se može potpuno odvojiti i ostaviti metalnu jezgru izloženom. Jednostavan terenski test: kapacitet između metalne jezgre i vanjske elektrode. Povećanje kapacitivnosti (zračni raspor zbog raslojavanja) ukazuje na gubitak prianjanja. 20-50% povećanja u odnosu na osnovnu vrijednost je grijač koji odvaja. Stabilan kapacitet je dobar grijač.

Zaključak: Dobro pripremljeni titan pobjeđuje Incoloy
Cyclic steam exposure tests indicate that properly prepared titanium (anodised or plasma-treated) has 4-8X better adhesion durability than untreated Incoloy, and 2-3X better than primed Incoloy. Titanium has a greater CTE mismatch with PFA but this is offset by the stronger chemical connection (Ti-O-CF_2). Incoloy is better than untreated titanium. For cyclic steam service over 120°C, specify anodised titanium with verified adhesion test results (peel strength >6 MPa initial, >3 MPa nakon 5000 toplinskih ciklusa). Ne prihvaćajte "titanovu jezgru" bez definirane pripreme površine. Bitna je priprema, a ne glavni materijal. Titanium, pravilno napravljen, pobjeđuje. Loše pripremljen titan ne radi. Znaj razliku. • Navedite pripremu. • Navedite ispitnu adheziju. • Produžite život. Para je gadna. Vaša bi srž trebala biti jača. Birajte pažljivo.