Dlaczego nadmierne-dokręcenie kołnierza montażowego grzejnika PFA może prowadzić do przedwczesnego pęknięcia naprężeniowego u nasady gwintu?

Grzejniki zanurzeniowe w kapsułkach-PFA mocuje się do ścian lub pokryw zbiorników za pomocą kołnierzy montażowych-zwykle wykonanych z PVDF, polipropylenu lub stali nierdzewnej z nakładką PFA. Po dokręceniu kołnierz dociska uszczelkę do powierzchni zbiornika, tworząc szczelne dla cieczy uszczelnienie. Instrukcje montażu podają zakres momentu obrotowego dla śrub mocujących, jednakże awarie polowe często występują u nasady gwintów w otworach na śruby w kołnierzu lub w gwintowanym złączu grzejnika. Pęknięcia te pojawiają się tygodnie lub miesiące po instalacji, czasami zanim grzejnik przepracuje wiele godzin. Przyczyną nie jest atak chemiczny ani degradacja cieplna, ale mechaniczne nadmierne naprężenie podczas instalacji. PFA, w przeciwieństwie do metali, wykazuje silne pełzanie lepkosprężyste i brak-dobrze określonej granicy plastyczności. Jeżeli w instalacji stosowany jest moment obrotowy większy niż podany zakres, PFA otaczający rdzeń gwintu jest poddawany miejscowemu przepływowi na zimno i dochodzi do niewielkich pęknięć. Pod wpływem połączonych efektów szczątkowych naprężeń montażowych i następujących po nich zmian temperatur, pęknięcia te przekształcają się w całkowite pęknięcia. Lepsze zrozumienie tego procesu awarii wymaga zbadania koncentracji naprężeń w korzeniach gwintu i zależnego od czasu zachowania fluoropolimerów w przypadku awarii.

Koncentracja naprężeń u nasady gwintu pod wpływem ściskania
Złącze gwintowe w kołnierzu lub złączce z PFA powoduje naturalne zwiększenie naprężenia u nasady każdego gwintu, przy ostrym promieniu w miejscu, gdzie profil gwintu styka się z trzpieniem śruby. Współczynnik koncentracji naprężeń (Kt) na ostrej podstawie gwintu w przypadku gwintów metalowych wynosi od 2,5 do 4,0, tak że naprężenie lokalne jest od 2,5 do 4,0 razy większe niż naprężenie nominalne wynikające z obciążenia śruby. PFA, mający niższy moduł i lepszą ciągliwość, ma jeszcze wyższe efektywne stężenie, ponieważ polimer nie może przenosić obciążenia poprzez miejscowe uplastycznienie tak skutecznie jak metal. Badanie metodą elementów skończonych gwintu M12 w kołnierzu PFA przy momencie dokręcenia śruby 15 Nm (typowym dla kołnierza 50 mm) wykazało, że szczytowe naprężenie główne u nasady gwintu wynosi 22-28 MPa w porównaniu z nominalnym naprężeniem ściskającym na powierzchni czołowej kołnierza wynoszącym zaledwie 3-4 MPa. To stężenie naprężeń 6–8 razy większe od nominalnego występuje, gdy PFA odkształca się elastycznie pod łbem śruby i preferencyjnie przenosi siłę na pierwszy sprzęgnięty gwint.

Jeśli instalator przekroczy-moment obrotowy-25 N·m zamiast 15 N·m, szczytowe napięcie u nasady gwintu wzrasta nie-liniowo. PFA zaczyna lokalnie ustępować przy około 12 do 14 MPa (jego granica plastyczności na ściskanie w temperaturze pokojowej). Po ustąpieniu krzywa naprężenia-odkształcenia osiąga plateau, na którym następuje dalsze odkształcenie bez większego wzrostu naprężenia. Jednak kształt nasady nici nie pozwala na równomierne poddawanie się. Najpierw materiał u nasady ustępuje, a następnie strefa ustępowania rozszerza się. Strefa plastyczna rozciąga się na odległość około 1,5–2,0 mm od nasady gwintu przy 25 N·m. Po usunięciu momentu obrotowego strefy odkształcone sprężyście próbują się zregenerować, ale strefa odkształcona plastycznie nie powraca do swojego poprzedniego kształtu. To niedopasowanie pozostawia szczątkowe naprężenie rozciągające u nasady, - polimer jest skutecznie rozciągany na mniejszym promieniu nasady. Poziom naprężenia szczątkowego, oceniany metodami fotoelastycznymi na przezroczystych próbkach PFA, wynosi 4–8 MPa po jednym wystąpieniu nadmiernego-momentu obrotowego. Samo to naprężenie szczątkowe nie wystarcza do natychmiastowego zerwania, ale działa jako obciążenie wstępne, które zwiększa naprężenia robocze.

Przejście od spękania do pękania za pomocą cykli termicznych
Podobnie jak w przypadku wielu polimerów półkrystalicznych, PFA zamiast tradycyjnych pęknięć pod wpływem umiarkowanych naprężeń rozciągających powoduje rysy. Pęknięcie to cienkie pasmo silnie zorientowanych włókienek polimerowych rozciągające się na pustym obszarze, zwykle o szerokości 1–5 µm i długości 50–200 µm. Pęknięcia pochłaniają energię i mogą ustabilizować usterkę przez tysiące cykli obciążenia. Kiedy włókienka w szale pękają, zwykle pod wpływem dodatkowej siły lub interakcji z otoczeniem, tworzą prawdziwe pęknięcia. W prawidłowo dokręconym kołnierzu (moment obrotowy mieści się w zalecanym zakresie) wszelkie pęknięcia powstałe u nasady gwintów pozostaną stabilne przez przewidywany okres użytkowania grzejnika, ponieważ napięcie szczątkowe po instalacji plus naprężenie cyklu termicznego jest poniżej progu przejścia pęknięcia-do-pęknięcia. Dwa elementy ułatwiające przejście do zerwania kołnierza-z nadmiernym momentem obrotowym to: Po pierwsze, naprężenie szczątkowe jest większe (4-8 MPa w porównaniu z. 1-2 MPa dla optymalnego momentu obrotowego), co pozwala na mniejszą tolerancję przed przekroczeniem naprężenia pękającego. Po drugie, większa strefa plastyczna powoduje dłuższą wadę, która inicjuje szaleństwo u nasady gwintu. Współczynnik intensywności naprężenia na końcu pęknięcia jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego długości pęknięcia, dlatego też dłuższe początkowe pęknięcie wymaga mniejszej dodatkowej siły do ​​propagacji.

Zwiększone napięcie spowodowane cyklami termicznymi przekształca stabilne rysy w rozprzestrzeniające się pęknięcia. Za każdym razem, gdy grzejnik przechodzi od temperatury otoczenia do temperatury roboczej (np. od 25 do 90 stopni w przypadku kąpieli kwasowej), kołnierz PFA rozszerza się bardziej niż metalowa śruba. Dzieje się tak, ponieważ współczynnik rozszerzalności cieplnej PFA (100–120 ppm/stopień) jest około sześciokrotnie większy niż w przypadku stali nierdzewnej (17 ppm/stopień). To zróżnicowane rozszerzanie powoduje dodatkowe naprężenie rozciągające w PFA otaczającym śrubę, oprócz szczątkowego naprężenia montażowego. W przypadku kołnierza 50 mm i 4 śrub M8 wzrost temperatury o 70 stopni powoduje dodatkowe naprężenie rozciągające 5-7 MPa w PFA wokół otworu na śrubę. W dobrze dokręconym kołnierzu całkowite naprężenie (szczątkowe 1 - 2 MPa + cieplne 5 - 7 MPa) wynosi 6 - 9 MPa, poniżej progu 10 - 12 MPa dla przejścia od pęknięcia- do-pęknięcia dla większości gatunków PFA. Całkowite naprężenie w przypadku-kołnierza dokręconego z nadmiernym momentem wynosi 9–15 MPa (początkowe 4–8 MPa plus termiczne 5–7 MPa), czyli przekracza próg przejścia. Po 100-500 cyklach termicznych, od podstawy gwintu powstają pęknięcia, które w kolejnych cyklach postępują na całej grubości kołnierza. Typowe pękanie-ścian wymaga 1000-3000 cykli od początku przejścia od pęknięcia kredowego do pęknięcia, w zależności od stopnia nadmiernego dokręcenia i temperatury roboczej.

Wykrywanie uszkodzeń spowodowanych-momentem obrotowym przed rozwojem pęknięć
Uszkodzenia spowodowane- nadmiernym dokręceniem nie są widoczne na powierzchni kołnierza zewnętrznego bezpośrednio po montażu. Pęknięcia i odkształcenia plastyczne ograniczają się do otworu na śrubę u nasady gwintu i nie są wykrywalne wizualnie. Istnieją jednak trzy nieniszczące-podejścia, które pozwalają wykryć-kołnierze PFA nadmiernie dokręcone, zanim pęknięcia dotrą do powierzchni. Pierwszą techniką jest pomiar momentu obrotowego śruby. Zamontuj kołnierz z określonym momentem obrotowym, zaznacz położenie łba śruby względem kołnierza, a następnie-sprawdź moment ponownie po 24 godzinach w temperaturze pokojowej. Nadmiernie-dokręcony i nadmiernie-pełzający PFA straci 30–50% początkowego momentu obrotowego w ciągu 24 godzin, gdy zimny polimer płynie pod długotrwałym ściskaniem. Prawidłowo dokręcony kołnierz traci zaledwie 5-15% pierwotnego momentu obrotowego. Jeśli nie ma widocznego wycieku, a utrata momentu obrotowego jest większa niż 25%, prawdopodobnie kołnierz został-dokręcony zbyt mocno w tej instalacji lub wcześniej. Drugą opcją jest umieszczenie lunety lub sondy światłowodowej w otworze na śrubę po wyjęciu śruby. W powiększeniu korzenie nici wykazują wybielone plamy – proces zwany wybielaniem naprężeniowym, który jest wynikiem rozwoju mikro-pustek. Nadmiernie dokręcone korzenie nici wykazują ciągły biały pasek wzdłuż całego nasady pierwszych dwóch nitek. Korzenie odpowiednio skręcone nie mają wybielenia ani izolowanych małych białych plam.

Trzecią techniką jest badanie ciągłości elektrycznej, gdy kołnierz ma wbudowaną płaszczyznę uziemienia. Jest to powszechna konfiguracja grzejników PFA do zastosowań półprzewodnikowych. Nadmierne-dokręcanie powoduje pęknięcia lub poważne pęknięcia na grubości kołnierza, umożliwiając wilgoci dostęp do płaszczyzny podłoża. Zmierz rezystancję pomiędzy płaszczyzną uziemienia a elektrodą odniesienia w cieczy w zbiorniku. Prawidłowo uszczelniony kołnierz będzie wskazywał rezystancję > 1000 MΩ. Kołnierz z pęknięciem rozpoczynającym się od nasady gwintu wykazuje rezystancję 100–500 MΩ. Częściowy kołnierz pękający przez ścianę wynosi 1-100 MΩ. Ten test dotyczy tylko kołnierzy z ciągłą warstwą przewodzącą, a nie wszystkich-kołnierzy z PFA. Metoda utrzymania momentu obrotowego jest najbardziej niezawodną metodą diagnostyki terenowej dla kołnierzy wykonanych w całości z PFA.

Zalecenia dotyczące ograniczeń momentu obrotowego i przewodnik dotyczący zapobiegania awariom
Poniższa tabela przedstawia sugerowane maksymalne wartości momentu obrotowego dla typowych rozmiarów kołnierzy i gwintów PFA oraz skutki przekroczenia tych ograniczeń. Wartości dotyczą czystego, suchego gwintu bez smarowania (nasmarowane gwinty zmniejszają tarcie i zwiększają napięcie wstępne przy tym samym momencie obrotowym, dlatego konieczna jest redukcja momentu obrotowego o 20 - 30%). Wszystkie zalecenia dotyczą PFA w temperaturze pokojowej podczas instalacji. Wartości momentu obrotowego należy obniżyć o 15%, jeśli temperatura kołnierza podczas montażu przekracza 40 stopni.

Typ kołnierza lub łącznika Rozmiar gwintu Zalecany zakres momentu obrotowego (N·m) Dopuszczalny moment obrotowy (N·m) Konsekwencje przekroczenia wartości granicznej Oczekiwane cykle do pęknięcia przy wartości granicznej Kołnierz w obudowie z PFA, średnica 50 mm M6 4 do 6 10 Umiarkowane nadmierne-moment obrotowy: wybielanie naprężeniowe u nasady gwintu, utrata momentu obrotowego od 25 do 35% w ciągu 24 godzin 500-1000 cykli ΔT=70 stopnia
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 cykli
Kołnierz w osłonie PFA, średnica 100 mm M10 12–16 22 Poważne: odkształcenie plastyczne czoła kołnierza, pęknięcia powstają na pierwszym gwincie 50–200 cykli
Złączka gwintowana z litego PFA (NPT lub BSP) 1/2 cala (DN15) 3–5 8 Ryzyko zerwania gwintu, pękania naprężeniowego u nasady gwintu w ciągu 10–50 dni cykli (często natychmiastowa awaria)
Solidna złączka gwintowana PFA 3/4 cala (DN20) 5-8 12 Pęknięcie kołnierza, złączka może zatrzeć się na śrubie 20–100 cykli

Zapobieganie uszkodzeniom związanym z-momentem obrotowym wymaga wyboru narzędzi i szkolenia.