Il tipo di nucleo metallico (Incoloy rispetto a titanio) modifica la durabilità dell'adesione della guaina in PFA sotto esposizione ciclica al vapore?

Nel servizio ciclico con vapore (alternando vapore saturo a 120–180 gradi con raffreddamento o condensa) la resistenza dell'adesione della guaina in PFA al nucleo metallico differisce notevolmente per i nuclei in Incoloy e titanio. Il coefficiente di espansione termica (CTE) del titanio è 8–9 ppm/grado mentre quello dell'Incoloy è 14–17 ppm/grado. Il PFA ha un CTE compreso tra 110 e 120 ppm/grado. La discrepanza CTE tra PFA e titanio (110 vs 8.5=13× differenza) è maggiore che tra PFA e Incoloy (110 vs 15,5 ≈ 7× differenza). Questo disadattamento maggiore produce uno stress di taglio interfacciale più elevato durante il ciclo termico che può ridurre la durabilità dell'adesione. Ma l'ossido TiO 2 del titanio si lega meglio al PFA rispetto agli ossidi misti Cr 2 O 3, Fe 2 O 3 e NiO di Incoloy. In pratica, il maggiore disadattamento CET del titanio è compensato dalla sua più forte adesione chimica. Studi sul campo indicano che i riscaldatori PFA con nucleo in titanio- hanno una durata di adesione simile o superiore alle unità con nucleo in Incoloy-quando sottoposti a esposizione ciclica al vapore, se la superficie in titanio è adeguatamente preparata (anodizzata o trattata al plasma-). Il titanio non trattato fa male; il titanio trattato batte Incoloy.

Meccanismi di adesione e deformazione del disadattamento CTE
L'adesione tra PFA e nucleo metallico comprende un incastro meccanico (rugosità superficiale) e un legame chimico (interazione fluoro-ossido metallico). Il titanio forma uno strato stabile e spesso di TiO2 che reagisce con i gruppi funzionali nel PFA modificato (primer o strati di collegamento). L'ossido misto formato nell'incoloy è meno attivo. Il blocco meccanico è formato dal flusso di PFA nella micro-rugosità superficiale (Ra 1–3 µm) durante il processo di estrusione. Il nucleo metallico e il PFA reagiscono in modo diverso all'esposizione ciclica al vapore, espandendosi e contraendosi a velocità distinte. Per un riscaldatore lungo 1 m, un'oscillazione della temperatura di 100 gradi (ad es. . 180 gradi di vapore a 80 gradi di acqua) porta a un'espansione differenziale di ΔL=(CTE_PFA – CTE_metal) × L × ΔT. Incoloy: (110–16)×10−6 × 1.000 × 100=9,4 mm. Per titanio: (110 – 8,5) x 10-6 x 1000 x 100=10.2 mm. Il movimento differenziale è maggiore di 0,8 mm per il nucleo in titanio, con un conseguente aumento dell’8-10% della deformazione di taglio interfacciale. Ciò significa che il titanio ha una minore durata di adesione, tuttavia i dati sul campo mostrano il contrario.

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×).

Durata dell'adesione sotto vapore ciclico (10.000 cicli, vapore da 120 a 180 gradi, quindi raffreddamento a 80 gradi)
Preparazione della superficie del nucleo metallico Adesione iniziale (staccatura MPa) Adesione dopo 5.000 cicli (MPa) Adesione dopo 10.000 cicli (MPa) Modalità di guasto Vita relativa Incoloy 825 Come-estruso (liscio) 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×
Titanio grado 2 Solo sabbiato 4–6 2–4 1–2 Il blocco meccanico non funziona 1,5×Anodizzato (acido solforico) 7-9 5-7 4-5 Coesivo nello strato di ossido 4-5× Titanio grado 2 Plasma spruzzato con primer 9-12 7-10 5-8 Misto 5-8×
Lega di titanio 6Al-4V (grado 5) anodizzata 8-11 6-9 5-7Ottimo 6–8× Considerazioni pratiche per la scelta del riscaldatore
Per il servizio ciclico a vapore (autoclavi, reattori riscaldati a vapore, sterilizzatori) la scelta dell'anima metallica dipende dal tipo di materiale e dalla preparazione della superficie:

Se il produttore utilizza la normale sabbiatura + primer, utilizzare Incoloy. Incoloy è più tollerante nei confronti della preparazione della superficie e fornisce un'adesione accettabile per la maggior parte dei servizi ciclici con vapore (5.000-10.000 cicli).

Selezionare il titanio opportunamente preparato (anodizzato, trattato al plasma) per la migliore durata dell'adesione (10.000-20.000 cicli). Il titanio presenta inoltre una migliore resistenza alla corrosione da parte degli acidi ossidanti e dei cloruri che possono essere presenti nel vapore condensato.

Non utilizzare il titanio allo stato non trattato (estruso, liscio o fortemente irruvidito). si delaminerà rapidamente sotto vapore ciclico

Per il servizio con vapore oltre i 180 gradi, la discrepanza del CTE nel titanio è sempre più significativa quando il PFA si ammorbidisce. Pertanto, Incoloy può essere preferibile oltre i 200 gradi. Ciò è dovuto alla minore deformazione differenziale (CTE più vicino) e quindi alla minore sollecitazione di scorrimento all'interfaccia.

Campo di esempio
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 cicli). Anche la corrosione dovuta alla condensa di vapore contenente cloruro che generava vaiolature sulle superfici Incoloy è stata rimossa dai nuclei in titanio (anche se la vaiolatura non influiva direttamente sull'adesione, era un problema). L'impianto attualmente richiede titanio anodizzato per tutti i servizi di vapore superiori a 130 gradi.

Sintomi di guasto e ispezione
Un riscaldatore PFA può guastarsi a causa della perdita di adesione sotto vapore ciclico. La guaina in PFA può gonfiarsi o formare bolle senza rompersi (il vapore riempie lo spazio vuoto). In caso di guasti gravi, il PFA può staccarsi completamente e lasciare esposto il nucleo metallico. Un semplice test sul campo: capacità tra il nucleo metallico e un elettrodo esterno. Gli aumenti di capacità (traferro da delaminazione) sono indicativi di perdita di adesione. L'aumento di . 20-50% rispetto alla linea di base sta delaminando il riscaldatore. Una capacità stabile è un buon riscaldatore.

Conclusione: il titanio ben preparato batte l'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 dopo 5.000 cicli termici). Non accettare il "nucleo in titanio" senza definire la preparazione della superficie. Ciò che conta è la preparazione, non il materiale principale. Il titanio, fatto correttamente, vince. Il titanio mal preparato non funziona. Conosci la differenza. • Specificare la preparazione. • Specificare l'adesione di prova. • Allungare la vita. Il vapore è dannoso. Il tuo core dovrebbe essere più forte. Scegli con attenzione.