Jak przewidzieć pozostały okres użytkowania grzejnika PFA po powtarzających się-incydentach z suszeniem w stacji płukania?

Grzałki zanurzeniowe w obudowie PFA są stosowane na stacjach płukania w procesach mokrej obróbki półprzewodników, na liniach galwanicznych i w procesach precyzyjnego czyszczenia, aby utrzymać temperaturę kąpieli w zakresie od 60 do 90 stopni. Opróżnianie zbiorników, częściowe ładowanie i cykliczne zmiany układu przelewowego są zjawiskiem powszechnym i powodują nieregularne zmiany poziomu cieczy na tych stacjach. Gdy poziom cieczy jest niższy niż długość aktywnego grzejnika, osłona PFA traci swoje główne chłodzenie i przechodzi w tryb suchego-ognia. Grzejniki pokryte PFA nie mają natychmiastowego widocznego wskaźnika przegrzania, który występuje w przypadku grzejników w metalowej obudowie podczas pracy na sucho, świecąc na czerwono. Podczas pracy na sucho fluoropolimer nagrzewa się wewnętrznie, a temperatura powierzchni zewnętrznej wzrasta z normalnych 90–100 stopni do 250–300 stopni w ciągu 60–120 sekund. Każdy suchy-pożar powoduje skumulowane uszkodzenia warstwy PFA: naprężenia wynikające z rozszerzalności cieplnej, rozpadu molekularnego i tworzenia mikroskopijnych pustek. Aby przewidzieć pozostały okres użytkowania po licznych zdarzeniach, należy ocenić dotkliwość każdego zdarzenia-suchego pożaru i zastosować model akumulacji oparty na kinetyce degradacji Arrheniusa.

Suche-pożary – mechanizmy uszkodzeń termicznych
PFA utrzymuje swoją integralność mechaniczną do około 260 stopni w przypadku krótkotrwałych ekspozycji, ale długotrwałe ekspozycje powyżej 260 stopni uruchamiają trzy mechanizmy degradacji. Pierwszym z nich jest rozszczepienie cieplne szkieletu polimeru. Powyżej 280 stopni wiązania węgiel-fluor zaczynają pękać z wykrywalną szybkością, w wyniku czego powstają fragmenty o niskiej-masie cząsteczkowej-, które dyfundują z matrycy polimerowej. Procedura ta obniża średnią masę cząsteczkową PFA i osłabia jego wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu. Laboratoryjne badania termograwimetryczne wykazały, że PFA w temperaturze 300 stopni może ulatniać się o 0,5-1,0% swojej masy na godzinę. Wykazano, że odporność materiału na propagację pękania znacznie się zmniejsza w wyniku 10-minutowego suszenia-w temperaturze 310 stopni, co powoduje spadek masy cząsteczkowej o około 5–8%. Drugim etapem jest utlenianie wszelkich pozostałych grup końcowych lub zanieczyszczeń procesowych. Chociaż PFA jest bardzo odporny na utlenianie w porównaniu z węglowodorami, bardzo wysokie temperatury osiągane podczas wypalania na sucho pozwalają tlenowi z otoczenia reagować z niestabilnymi końcami łańcuchów, tworząc fluorek karbonylu i inne związki, które katalizują dalszy rozkład. Ta warstwa utleniająca objawia się na powierzchni jasnożółtym-brązowym przebarwieniem, zwykle w ciągu pierwszych 2–3 cykli wypalania na sucho.

Trzecią i najbardziej szkodliwą strukturalnie ścieżką jest tworzenie się pustych przestrzeni z resztkowych substancji lotnych. PFA zawiera śladową wilgoć (100-500 ppm) pochłoniętą z otoczenia i niewielkie ilości uwięzionych rozpuszczalników produkcyjnych. W typowej operacji zanurzeniowej te substancje lotne są rozpuszczane w matrycy polimerowej. W przypadku suchego-pożaru szybki wzrost temperatury powoduje, że wilgoć przekształca się w parę pod ciśnieniem większym niż granica plastyczności polimeru, tworząc małe kuliste puste przestrzenie o średniej średnicy od 5 do 20 µm. Pustki te skupiają naprężenia mechaniczne podczas kolejnych cykli cieplnych i działają jako miejsca inicjujące powstawanie pęknięć. Skaningowa mikroskopia elektronowa powłok PFA po trzech 5-minutowych działaniach suchego ognia w temperaturze 280 stopni ujawniła koncentrację pustych przestrzeni wynoszącą 100–300 pustych przestrzeni na milimetr kwadratowy w wewnętrznej jednej trzeciej grubości ścianki, najbliżej metalowego rdzenia grzejnego. Każdy wakat zmniejsza efektywny przekrój nośny, a także działa jako czynnik zwiększający naprężenia. Gdy gęstość pustych przestrzeni wzrasta powyżej około 500 pustych przestrzeni/mm2, trwałość zmęczeniowa materiału podczas cykli termicznych spada z 10 000 cykli do mniej niż 500 cykli.

Ocena ilościowa szkód w przypadku każdego zdarzenia-suchy pożar
Nie wszystkie suche-pożary powodują takie same zniszczenia. Szybkość niszczenia jest podyktowana maksymalną osiągniętą temperaturą powłoki i okresem czasu przebywania powyżej progów krytycznych. W przypadku standardowego grzejnika w kapsułce PFA-, pracującego z mocą 5 W/cm² w łaźni wodnej o temperaturze 80 stopni, temperatura płaszcza wzrasta według przewidywalnej krzywej, gdy jest on wyjmowany z cieczy. W ciągu pierwszych 30 sekund pracy na sucho powierzchnia zewnętrzna podnosi się z 80 stopni do 180 stopni. Temperatura jest zwiększana od 180 stopni do 260 stopni od 30 do 90 sekund. Po 90 sekundach temperatura zbliża się do zakresu topnienia PFA (305–315 stopni) i powinno zadziałać wewnętrzne zabezpieczenie grzałki przed przegrzaniem. Suchy-pożar w ciągu 30 sekund (temperatura szczytowa<180°C) causes little permanent damage, since the PFA remains far below its thermal breakdown threshold. A 30-60 s (peak temperature 180-240°C) event results in modest annealing of residual stress but little chain scission or void formation. The destructive regime begins after 60 seconds dry operation when the surface temperature is higher than 260°C. Based on the Arrhenius model, the acceleration factor for the degradation of PFA is around 12 for every 20°C increase above 260°C. In practice, a dry-fire event at 300°C for 2 minutes results in about identical cumulative degradation as 24 minutes at 260°C.

Wskaźnik szkód-suchych od ognia (DDI) stanowi praktyczną miarę porównywania zdarzeń. DDI=t ekspozycja ×exp[(T szczyt -T ref )/T 0 ] gdzie T ref =260 stopień, T 0 =18 stopień (w oparciu o energię aktywacji degradacji termicznej PFA), a t ekspozycja to czas powyżej 200 stopni w godzinach. Dla pojedynczego zdarzenia z wartością szczytową T=280 stopnia przez 5 minut (0,083 godziny), DDI=0.083 × exp[(20)/18]=0.083 × 3.04=0.25. Bardziej poważne zdarzenie, w temperaturze 310 stopni przez 10 minut (0,167 godziny) daje DDI=0.167 x exp [ (50)/18]=0.167 x 16.0=2.67. Przyspieszone testy trwałości 50 grzejników w kontrolowanych cyklach-suchy ogień wskazują, że skumulowany próg DDI przed awarią wynosi około 15–20 dla konwencjonalnej powłoki PFA o grubości 1,5 mm w pralni. Nie ma oczywistej degradacji powierzchni przy skumulowanych wartościach DDI poniżej 5, a właściwości mechaniczne nadal mieszczą się w 90% pierwotnych wartości. Odbarwienie powierzchni obserwuje się pomiędzy DDI 5 a 12, wydłużenie przy zerwaniu zmniejsza się o 30-50%, a początek pękania spodziewany jest po 1000-2000 kolejnych cykli cieplnych. Jeśli DDI przekracza 15, grzejnik znajduje się w stanie wysokiego ryzyka, w którym wszelkie dodatkowe naprężenia termiczne, w tym typowe cykle zasilania, mogą spowodować pękanie ścian i upływ prądu.

Metody szacowania pozostałego czasu życia po pożarze suchym.
Najdokładniejszą prognozę pozostałej żywotności grzejnika, który został-wypalony na sucho i nie ma dokumentacji dotyczącej zdarzenia, przeprowadzono na podstawie badań niszczących jednostki ofiarnej. Przetnij obwodowo osłonę PFA w trzech miejscach: w środku nagrzanego odcinka, 5 cm od zimnego końca oraz w dowolnym miejscu, w którym występuje przebarwienie. Obserwuj przekrój poprzeczny-przy powiększeniu 50–100x. Policz puste przestrzenie na milimetr kwadratowy w wewnętrznej połowie grubości ściany. Gęstość pustych przestrzeni poniżej 50 pustych przestrzeni/mm2 wskazuje na niewielkie skumulowane uszkodzenia (DDI < 5). Gęstość od 50 do 200 pustych przestrzeni/mm2 odpowiada umiarkowanemu uszkodzeniu (DDI 5–12). Gęstość większa niż 200 pustych przestrzeni/mm2 odpowiada dużym uszkodzeniom (DDI > 12). Wykonaj także próbę zginania paska materiału osłony o szerokości 10 mm po usunięciu z rdzenia metalowego zagięć o. 180 stopnia na PFA, oryginalnych lub o niewielkich uszkodzeniach, bez zrywania wokół 5-milimetrowego trzpienia. Umiarkowane-uszkodzenia, pęknięcia materiału po zgięciu o 90–120 stopni. Materiał o dużym uszkodzeniu pęka przy zgięciu o więcej niż 30-45 stopni.

Ocenę na miejscu można przeprowadzić-w drodze nieniszczących badań terenowych. Jednak dokładność testów terenowych jest mniejsza. Za pomocą megaomomierza- zmierz rezystancję izolacji elektrycznej pomiędzy elementem grzejnym a masą przy napięciu 500 V prądu stałego. Rezystancja izolacji nowej grzałki PFA (suchej) przekracza 1000 MΩ. Jest to redukowane przez mikroskopijne przestrzenie i zwęglone produkty rozkładu po szkodach spowodowanych suchym ogniem. Odczyty w zakresie 100–500 MΩ sygnalizują umiarkowane uszkodzenie, chociaż z systemu można bezpiecznie korzystać przy dodatkowym monitorowaniu. Jeśli odczyt wynosi od 10 do 100 M? szkody są rozległe i awaria jest nieuchronna. Jeśli odczyt jest niższy niż 10 MΩ, należy natychmiast wymienić grzejnik, ponieważ przy takich wartościach zabezpieczenie przed zwarciem doziemnym może nie zadziałać niezawodnie. Podczas kontrolowanego testu-włączenia użyj kamery termowizyjnej z grzejnikiem w pozycji częściowo zanurzonej do określonego poziomu. Porównaj temperaturę powierzchni-wypalonej na sucho części z temperaturą sąsiedniej części, która podczas poprzednich wydarzeń znajdowała się pod wodą. Różnica temperatur większa niż 15°C przy tym samym poborze mocy wskazuje na mniejszą transmisję ciepła z powodu gromadzenia się pustych przestrzeni lub degradacji powierzchni. Monitoruj tę różnicę temperatur w czasie. Wzrost o 5 stopni na miesiąc oznacza postępującą degradację.

Przewodnik dotyczący oceny i wymiany szkód skumulowanych
Poniższa tabela przedstawia ramy decyzyjne dotyczące grzejników PFA w stacjach płukania z zarejestrowaną lub szacunkową historią-suchego pożaru, wynikami testów diagnostycznych i krytycznością procesu. Wszystkie zalecenia opierają się na tym, że grzejnik jest wolny od jakichkolwiek widocznych uszkodzeń fizycznych, takich jak przypalenia lub pęknięcia.

Udokumentowana sucha-historia pożaru lub skumulowana rezystancja izolacji DDI (500 V DC) Gęstość pustych przestrzeni (puste przestrzenie/mm²) Zalecane działanie i oczekiwany pozostały czas życia
Brak znanych suchych-pożarów lub pojedynczych zdarzeń<30 seconds (DDI < 1) >1,000 MΩ <20 Normal operation Life expectancy is greater than 20,000 operating hours. Special monitoring: None.
1–3 impulsy po 30–90 sekund każdy (DDI 1–5) 500–1000 MΩ 20–50 Kontynuuj pracę.