Come prevedere l'aumento della corrente di dispersione elettrica man mano che una guaina in PFA invecchia nei vapori acidi umidi a 130 gradi?

La resistenza di isolamento elettrico della guaina diminuisce con l'invecchiamento del riscaldatore PFA in vapore acido umido (HCl, H2SO4, HNO3 o acidi misti a 130 gradi) e la corrente di dispersione aumenta. L'aumento è accelerato come un'equazione di Arrhenius-, la corrente di dispersione raddoppia ogni 1000-2000 ore a seconda del tipo e della concentrazione dell'acido. La corrente di dispersione del nuovo riscaldatore PFA a 130 gradi in aria secca è < 0,01 mA. Dopo 2000 ore in vapore di HCl umido (concentrazione al 30%, 130 gradi) la corrente di dispersione può aumentare fino a 0,1–0,5 mA. A 5.000 ore, può arrivare fino a 1-5 mA, raggiungendo i comuni livelli di intervento GFCI (5-30 mA). Se si riesce a prevedere l'aumento, è possibile sostituirlo prima che causi inciampi fastidiosi o contaminazione. Il modello di previsione considera il tasso di penetrazione, la conduttività acida e il tempo necessario per generare un rivestimento conduttivo sull'interfaccia PFA-metallo.

Meccanismi di corrente di dispersione del PFA invecchiato
Leakage currents travel from the metal heating element (120–480 VAC) to ground over two parallel paths: (1) through the PFA bulk (volume resistivity, ∼10¹⁶ Ω·cm for new PFA) and (2) along the PFA-metal contact (surface conductivity, modified by moisture and corrosion products). New PFA, volume resistivity >10^15 ohm-cm, corrente di dispersione<0.001 micro-A-negligible. As the heater ages acid vapours infiltrate through the PFA wall (see Article #35 for HCl permeation rates. Acid will condense at the PFA–metal interface (if the interface temperature is below the dew point of the acid). The condensed acid provides a thin layer of electrolyte of conductivity based on acid concentration and temperature. The metal core corrodes slowly, and the metal ions that are produced increase the conductivity of the electrolyte. The leakage current is I=V/R where R decreases with increasing the conductive film.

La velocità di aumento della corrente di dispersione è regolata dalla velocità di permeazione acida, regolata dalla legge di Fick. Il tasso di penetrazione dell'HCl attraverso 2 mm di PFA a 130 gradi è di 0,5–1,5 g/m²·giorno. L'acido totale penetrato durante 5000 ore (208 giorni)=0.5–1,5 × 0,5 m2 (area media del riscaldatore) × 208=52–156 chili di HCl che raggiungono l'interfaccia-quanto basta per formare un rivestimento conduttivo.

Modello di previsione della corrente di dispersione
I dati empirici derivanti dai test di invecchiamento accelerato (130 gradi/vapore acido umido/parete PFA da 2 mm) portano alla seguente equazione di previsione I(t)=I iniziale * exp(t/τ) dove τ (costante di tempo del raddoppio della corrente di dispersione) varia in base al tipo di acido:

Aria secca (controllo): τ > 100 000 h (nessun aumento sostanziale)

HCl umido (10–30%) τ=1,500–2.500 ore.

H2SO4 umido (50-70%) τ=800-1500 ore

HNO3 umido (30-50%): τ=2.000-3.000 h

Acido misto umido (es. acqua regia): τ=500-1000 hr

HF umido (10–50%) τ=1.000–2.000 ore

t=2.000 ore per un riscaldatore PFA in vapore HCl al 30% a 130 C. La corrente di dispersione a t=0 è 0,01 mA. A t=2.000 h I=0.01 × e 1=0.027 mA. A t=4.000 ore, I=0.01 exp(2)=0.074 mA. A t=6000 ore, I=0.01×exp(3)=0.20 mA. I=0.01 × exp(5)=1.48 mA a t=10.000 ore. Questo valore è ancora al di sotto dei tipici limiti di intervento di 5-30 mA, il che indica che è improbabile che l'intervento del GFCI dovuto a perdite di interfaccia sia la prima modalità di guasto. Inizialmente si verifica invece corrosione o bruciatura del nucleo (vedere Articolo n. 65). La corrente di dispersione è un fattore predittivo rilevante solo se è maggiore di 0,5-1,0 mA, il che indica un notevole degrado dell'interfaccia.

Previsione pratica e monitoraggio
Per il servizio con vapori acidi umidi, determinare una corrente di dispersione di base per i riscaldatori dopo 100 ore di funzionamento (per stabilizzare l'assorbimento iniziale di umidità). Testare con un tester GFCI o un megaohmmetro in modalità corrente di dispersione. Registrarne il valore (solitamente da 0,01 a 0,10 mA). Indicatore trimestrale. Traccia su carta semi-log. Adatta una curva esponenziale per prevedere quando la perdita raggiungerà 5 mA (o il livello di allarme per la tua struttura). Selezionare τ dalla tabella sopra per l'acido specifico. Se la misurazione prevede un aumento rapido, controllare che il riscaldatore non sia danneggiato.

Pertanto, per un riscaldatore con una corrente di dispersione misurata di 0,2 mA a 4.000 ore (previsto 0,074 mA) l'effettivo τ=4,000 / ln(0,2/0,01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 ore- più veloce del previsto. È prevista la sostituzione preventiva di questo riscaldatore entro le prossime 2000 ore.

Mitigazione per ridurre l'aumento della corrente di dispersione
Per rallentare l'aumento della corrente di dispersione:

Il tasso di permeazione può essere ridotto del 40-60% utilizzando una parete in PFA più spessa (2,5-3,0 mm).

Temperatura operativa ridotta (il tasso di permeazione è la metà per ogni riduzione di 10 gradi).

Mantenere la parte fredda al di sopra del punto di rugiada per evitare la formazione di condensa (vedere Articolo n. 67).

Aggiungere uno spurgo di azoto (N2 secco, 0,1–0,2 bar) alla sezione fredda per rimuovere l'acido penetrato prima della condensazione.

Secondo l'articolo n. 87, specificare il PFA ricotto (maggiore cristallinità, minore permeabilità).

Conclusione: la corrente di dispersione nell'HCl raddoppia ogni 1.500-2.500 ore.
La corrente di dispersione dei riscaldatori PFA nei vapori acidi umidi a 130 gradi aumenta esponenzialmente con il tempo. Le costanti di tempo di raddoppio sono τ=1,500-2.500 h per HCl, 800-1.500 h per H 2 SO 4 e 500-1.000 h per acidi misti. Le misurazioni della corrente di dispersione ogni 500–1.000 ore consentiranno di prevedere la durata rimanente prima che la perdita si avvicini ai livelli critici (5 mA per l'intervento GFCI, 1 mA per l'allarme precoce). Nella maggior parte delle applicazioni il tasso di sviluppo della corrente di dispersione è moderato e non provoca uno scatto prematuro del GFCI ma piuttosto la corrosione o la bruciatura del nucleo. Tuttavia, per i fluidi ad alta resistività (acqua deionizzata, acqua ultrapura), quando anche una corrente di dispersione di 0,5 mA è inaccettabile, il principale indicatore precoce del deterioramento della guaina è il monitoraggio della corrente di dispersione. Fornire un monitoraggio continuo delle perdite con un allarme a 0,5 mA. Prevedere la sostituzione quando l'adattamento esponenziale prevede 1,0 mA nelle successive 2.000 ore. Prima del viaggio: monitorare, modellare, sostituire. Questa è la manutenzione predittiva.