Zašto prekomjerno-zatezanje montažne prirubnice PFA grijača može dovesti do prijevremenog pucanja uslijed naprezanja na korijenu navoja?

PFA-inkapsulirani uronjeni grijači pričvršćuju se na stijenke spremnika ili poklopce pomoću montažnih prirubnica-obično izrađenih od PVDF-a, polipropilena ili nehrđajućeg čelika s PFA kalupom. Kada je prirubnica zategnuta, ona pritišće brtvu na površinu spremnika kako bi napravila brtvu nepropusnu za tekućinu. Upute za ugradnju daju raspon zakretnog momenta za pričvrsne vijke, međutim kvarovi na terenu obično se javljaju u korijenu navoja u rupama za vijke prirubnice ili vlastitog navojnog priključka grijača. Ove se pukotine javljaju tjednima ili mjesecima nakon ugradnje, ponekad prije nego što grijač odradi mnogo radnih sati. Uzrok nije niti kemijski napad niti toplinska degradacija, već mehaničko prekomjerno naprezanje tijekom postavljanja . PFA, za razliku od metala, pokazuje snažno viskoelastično puzanje i nema dobro-definiranu granicu tečenja. Ako instalacija koristi zakretni moment veći od navedenog raspona, PFA koji okružuje korijen navoja podvrgnut je lokalnom hladnom strujanju i dolazi do sitnih pukotina. Pod kombiniranim učincima zaostalog naprezanja ugradnje i naknadnih temperaturnih ciklusa, ove pukotine se razvijaju u potpune pukotine. Bolje razumijevanje ovog procesa kvara uključuje istraživanje koncentracije naprezanja na korijenima navoja i vremenski-ponašanje kvara fluoropolimera.

Koncentracija naprezanja na korijenima navoja pod pritiskom
Spoj s navojem u PFA prirubnici ili fitingu predstavlja prirodni porast naprezanja u korijenu svakog navoja, na oštrom radijusu gdje se profil navoja susreće s tijelom vijka. Faktor koncentracije naprezanja (Kt) na oštrom korijenu navoja za metalne navoje iznosi 2,5 do 4,0, tako da je lokalno naprezanje 2,5 do 4,0 puta veće od nominalnog naprezanja izvedenog iz opterećenja vijka. PFA, s nižim modulom elastičnosti i boljom duktilnošću, ima čak i višu učinkovitu koncentraciju budući da polimer ne može dijeliti opterećenje kroz lokalizirano popuštanje jednako učinkovito kao metal. Studija konačnih elemenata navoja M12 u PFA prirubnici s momentom zavrtnja od 15 Nm (tipično za prirubnicu od 50 mm) pokazuje vršno glavno naprezanje u korijenu navoja od 22-28 MPa u usporedbi s nominalnim tlačnim naprezanjem na licu prirubnice od samo 3-4 MPa. Ova koncentracija naprezanja od 6-8 puta veća od nominalne javlja se kada se PFA elastično deformira ispod glave vijka i preferirano prenosi silu na prvi spojeni navoj.

Ako instalater priteže preko-momenta-25 N·m umjesto 15 N·m, vršna napetost u korijenu navoja raste ne-linearno. PFA počinje lokalno popuštati pri otprilike 12 do 14 MPa (njegova tlačna čvrstoća tečenja na sobnoj temperaturi). Nakon popuštanja, krivulja naprezanja-deformacije dolazi do platoa gdje dolazi do daljnjeg naprezanja bez većeg povećanja naprezanja. Ali oblik korijena niti ne dopušta ravnomjerno popuštanje. Najprije popušta materijal u korijenu, a zatim se zona popuštanja širi. Plastična zona proteže se otprilike 1,5–2,0 mm od korijena navoja pri 25 N·m. Nakon uklanjanja zakretnog momenta, elastično deformirane zone se pokušavaju oporaviti, ali se plastično deformirana zona ne vraća u prijašnji oblik. Ova neusklađenost ostavlja zaostalu vlačnu napetost u korijenu - polimer se učinkovito rasteže preko premalog polumjera korijena. Razina zaostalog naprezanja, procijenjena fotoelastičnim metodama na prozirnim PFA uzorcima, iznosi 4–8 MPa nakon jednog događaja prekomjernog-okretnog momenta. Ovo zaostalo naprezanje samo po sebi nije dovoljno za stvaranje loma odjednom, već djeluje kao predopterećenje koje povećava radna naprezanja.

Prijelaz od pucanja do pucanja s toplinskim ciklusom
Kao i kod mnogih polukristalnih polimera, PFA razvija pukotine umjesto tradicionalnih pukotina pod skromnim vlačnim naprezanjem. Zaluđenost je tanka traka snažno usmjerenih polimernih fibrila koja se proteže praznim područjem, obično 1-5 µm u širinu i 50-200 µm u duljinu. Crazes apsorbiraju energiju i mogu stabilizirati kvar tijekom tisuća ciklusa opterećenja. Kada se fibrile u bijesu puknu, obično pod nekom dodatnom silom ili interakcijom s okolinom, stvaraju prave pukotine. U ispravno zategnutoj prirubnici (zakretni moment je unutar propisanog raspona), sve pukotine nastale na korijenima navoja ostat će stabilne tijekom predviđenog vijeka trajanja grijača, budući da je preostala napetost od ugradnje plus naprezanje toplinskog ciklusa ispod praga prijelaza-na-pukotinu. Dva elementa koja olakšavaju prijelaz na lomljenje preko-zakretne prirubnice su: Prvo, zaostalo naprezanje je veće (4-8 MPa naspram. 1-2 MPa za optimalni zakretni moment) što dopušta manju toleranciju prije nego što se prekorači naprezanje pucanja. Drugo, veća plastična zona rezultira dužim defektom koji pokreće bijes u korijenu niti. Faktor intenziteta naprezanja na vrhu pukotine proporcionalan je kvadratnom korijenu duljine pukotine, stoga duža početna pukotina zahtijeva manje dodatne sile za širenje.

Povećana napetost zbog toplinskog ciklusa pretvara stabilne pukotine u pukotine koje se šire. Svaki put kada grijač mijenja temperaturu iz ambijentalne u radnu (npr. 25 stupnjeva do 90 stupnjeva za kupku za jetkanje kiselinom), PFA prirubnica se širi više od metalnog vijka. To je zato što je PFA koeficijent toplinske ekspanzije (100–120 ppm/ stupanj) oko šest puta veći od nehrđajućeg čelika (17 ppm/ stupanj). Ova diferencijalna ekspanzija uzrokuje dodatno vlačno naprezanje u PFA koja okružuje vijak, uz preostalo naprezanje ugradnje. Za prirubnicu od 50 mm i 4 x M8 vijka, povećanje temperature od 70 stupnjeva rezultira dodatnim vlačnim naprezanjem od 5-7 MPa u PFA oko rupe za vijak. U dobro zategnutoj prirubnici ukupno naprezanje (preostalo 1 - 2 MPa + toplinsko 5 - 7 MPa) je 6 - 9 MPa, ispod 10 - 12 MPa praga za prijelaz iz-u-pukotinu za većinu PFA razreda. Ukupno naprezanje za preko-zakretnu prirubnicu je 9–15 MPa (preostalo 4–8 MPa plus toplinsko 5–7 MPa), što je iznad prijelaznog praga. Nakon 100-500 toplinskih ciklusa pukotine se razvijaju od korijena navoja i napreduju preko debljine prirubnice u sljedećim ciklusima. Za tipično-pukotine u zidu potrebno je 1000-3000 ciklusa od početka prijelaza od ludila do pukotina, ovisno o težini prekomjernog zakretanja i radnoj temperaturi.

Otkrivanje oštećenja preko-zakretnog momenta prije rasta pukotine
Oštećenje uzrokovano prekomjernim-pritezanjem nije vidljivo na površini vanjske prirubnice odmah nakon postavljanja. Pukotine i plastične deformacije ograničene su na rupu za vijak na korijenu navoja i ne mogu se otkriti vizualnim pregledom. Međutim, postoje tri ne-destruktivna pristupa koji mogu otkriti preko-zategnute PFA prirubnice prije nego što pukotine dođu do površine. Prva tehnika je mjerenje zadržavanja zakretnog momenta vijka. Ugradite prirubnicu na navedeni zakretni moment, označite položaj glave vijka u odnosu na prirubnicu, a zatim ponovno -provjerite zakretni moment nakon 24 sata na sobnoj temperaturi. Pre-zakretni moment i pretjerano{11}}puzajući PFA izgubit će 30–50% početnog momenta unutar 24 sata kada polimer hladno teče pod trajnom kompresijom. Ispravno zategnuta prirubnica gubi samo 5-15% izvornog momenta. Ako nema vidljivog curenja i gubitak zakretnog momenta je veći od 25%, prirubnica je vjerojatno bila preko-zategnuta u ovoj instalaciji ili prije. Druga je mogućnost da se u rupu za vijak nakon uklanjanja svornjaka postavi mjerni opseg ili sonda od optičkih vlakana. Pod povećanjem, korijeni niti pokazuju izbijeljene mrlje, proces koji se naziva stresno izbjeljivanje, a rezultat su razvoja mikro-upljina. Pretjerano zategnuti korijeni niti pokazuju kontinuiranu bijelu traku duž cijelog korijena prva dva konca. Roots Torqued pravilno nema izbjeljivanja ili izoliranih sitnih bijelih mrlja.

Treća tehnika je ispitivanje električnog kontinuiteta kada prirubnica ima ugrađenu ravninu uzemljenja. Ovo je uobičajena konfiguracija za PFA grijače za poluvodičke primjene. Pre-pritezanje uzrokuje pukotine ili ozbiljne pukotine kroz debljinu prirubnice dopuštajući vlazi pristup ravnini uzemljenja. Izmjerite otpor između ravnine uzemljenja i referentne elektrode u spremniku tekućine. Ispravno zabrtvljena prirubnica pokazat će otpor > 1000 MΩ. Prirubnica s lomom koji počinje kod korijena navoja pokazuje 100–500 MΩ. Djelomična prirubnica koja puca kroz zid je 1-100 MΩ. Ovaj se test odnosi samo na prirubnice s kontinuiranim vodljivim slojem, a ne na sve-PFA prirubnice. Metoda zadržavanja zakretnog momenta najpouzdanija je dijagnostička metoda na terenu za sve PFA prirubnice.

Preporuke za ograničenje zakretnog momenta i Vodič za sprječavanje kvarova
Donja tablica daje predložene maksimalne vrijednosti zakretnog momenta za tipične PFA prirubnice i veličine navoja te učinke prekoračenja ovih ograničenja. Vrijednosti su za čist, suh navoj bez podmazivanja (podmazani navoji smanjuju trenje i povećavaju predopterećenje za isti zakretni moment, stoga je potrebno 20 - 30 % smanjenje zakretnog momenta). Sve preporuke odnose se na PFA na sobnoj temperaturi tijekom instalacije. Vrijednosti zakretnog momenta trebaju se smanjiti za 15% ako je temperatura prirubnice iznad 40 stupnjeva tijekom instalacije.

Tip prirubnice ili priključka Veličina navoja Preporučeni raspon zakretnog momenta (N·m) Ograničenje zakretnog momenta (N·m) Posljedica prekoračenja ograničenja Očekivani ciklusi do pucanja na granici PFA-inkapsulirana prirubnica, promjera 50 mm M6 4 do 6 10 Umjereno preko-momenta: izbjeljivanje naprezanja u korijenu navoja, 25 do 35% gubitka zakretni moment u 24 sata 500-1000 ciklusa ΔT=70 stupanj
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 ciklusa
PFA obložena prirubnica, promjer 100 mm M10 12–16 22 Teška: plastična deformacija površine prirubnice, pukotine se razvijaju na prvom navoju 50-200 ciklusa
Čvrsti PFA spoj s navojem (NPT ili BSP) 1/2 inča (DN15) 3–5 8 Rizik skidanja navoja, pucanje uslijed naprezanja u korijenu navoja u danima 10–50 ciklusa (čest trenutni kvar)
Čvrsti PFA spoj s navojem 3/4 inča (DN20) 5-8 12 Pucanje prirubnice, spoj može zapeći za vijak 20-100 ciklusa

Sprječavanje prekomjernog-oštećenja zakretnim momentom uključuje odabir i obuku alata.