Come verificare l'integrità della guarnizione del nucleo metallico di un riscaldatore PFA utilizzando il rilevamento di perdite di elio a 80 gradi?

Il percorso più frequente per l'infiltrazione di umidità ed eventuali guasti a terra è presso la guarnizione del nucleo metallico di un riscaldatore in PFA-dove l'elemento riscaldante interno esce dalla guaina in PFA. L'integrità della tenuta deve essere verificata alla temperatura di esercizio in quanto la dilatazione termica può aprire fori microscopici che non sono presenti a temperatura ambiente. Il test di tenuta dell'elio a 80 gradi (temperatura operativa normale) fornisce una misura quantitativa e non distruttiva dell'integrità della tenuta. Il metodo: pompare sull'anello tra la guaina in PFA e il nucleo metallico (o solo il nucleo stesso se cavo) e quindi spruzzare elio attorno al sigillo e osservare uno spettrometro di massa. Il nuovo riscaldatore è adatto se il tasso di perdita lo è<1 × 10−6 mbar·L/s at 80 °C. Higher leak rates (>1x10-5 mbarL/sec) segnalano un guasto anticipato. Il test a temperatura identificherà i guasti che si aprono solo quando i componenti del riscaldatore si espandono in modo diverso.

Perché testare a 80 gradi (non a temperatura ambiente)
Il PFA (CTE 110–120 ppm/grado) e il nucleo metallico (CTE 14–17 ppm/grado) crescono a velocità significativamente diverse. L'espansione differenziale per un'interfaccia di tenuta lunga 20 mm a 80 gradi è ΔL=( _PFA – _metal) × L × ΔT=(110e-6 – 16e-6) × 20 × 60=94e-6 × 20 × 60=0.113 mm. Un tale spostamento relativo di 0,1 mm può aprire un minuscolo spazio che viene chiuso a temperatura ambiente. Un test di tenuta a temperatura ambiente su una guarnizione non significa che supererà un test a 80°C. Il test a 80 gradi equivale alle condizioni operative reali.

Metodo: il riscaldatore viene preriscaldato in forno a 80 gradi per 1 ora prima del test. Oppure fai funzionare il riscaldatore a bassa potenza (10% nominale) per auto-riscaldarsi fino a 80°C raffreddando al contempo la regione della tenuta (per evitare il surriscaldamento della tenuta). Durante la prova il PFA in prossimità della guarnizione non deve superare i 100 gradi.

Procedura per il test di tenuta dell'elio
Attrezzatura richiesta:

Rilevatore di perdite con spettrometro di massa ad elio (Pfeiffer, Agilent, ecc.)

Pompa per vuoto capace di 10-3 mbar

Pistola a spruzzo di elio con orifizio fine

Forno o fonte di calore 80 gradi

Passo dopo passo:

Sigillare l'accesso al nucleo Se il nucleo metallico è cavo (comune con i riscaldatori tubolari), sigillare un'estremità con un raccordo a vuoto. Se il nucleo è solido, è necessario accedere allo spazio anulare tra nucleo e PFA tramite un'apertura nella sezione fredda.

Evacuare l'interno del nucleo o lo spazio anulare a cui è collegato il rilevatore di perdite. Evacuare a < 10-2 mbar.

Riscaldare a 80 gradi . - Posizionare il riscaldatore in un forno (aria) o riscaldare con nastro riscaldante attorno alla parte fredda. Mantenere a 80 gradi per 30 minuti.

Spruzzo di elio: utilizzando il cannone a spruzzo, spruzzare elio sull'interfaccia della guarnizione (dove il PFA incontra il nucleo metallico o dove il nucleo esce dal PFA). Spruzzare anche la saldatura del cappuccio terminale, se presente, e qualsiasi altro giunto.

Monitoraggio del tasso di perdita: tasso di perdita in mbar·L/s sullo spettrometro di massa. Un picco indica una perdita nell'area spruzzata.

Requisiti di accettazione di un nuovo riscaldatore:

< 1 x 10-6 mbar.L/s @ 80°C - Excellent, hermetically sealed.

Da 1 × 10-6 a 1 × 10-5 - Adatto per uso industriale generale.

da 1 × 10⁻⁵ a 1 × 10⁻⁴ – Marginale; potrebbe guastarsi presto in servizio umido.

1 X 10 -4 Rifiutato; perdita grande o apparente.

Risultati e interpretazione
Tasso di perdita a 80 gradi (mbar L/s) Diametro equivalente del foro (μm) Vita utile prevista (anni, 80% UR) Azione<1 x 10-6<0.1>10Accetta, migliore qualità
1 × 10⁻⁶ – 5 × 10⁻⁶ 0,1–0.3 5–10 Accetta per standard
5 × 10⁻⁶ – 1 × 10⁻⁵ 0,3–0.5 3–5 OK solo per ambienti asciutti
1 × 10-5 – 5 × 10-5 0.5–1.0 1–3 Marginal – reject for critical >5 × 10-5 >1.0 <1 Reject – will fail early
Siti tipici di perdite nei riscaldatori PFA
Posizione, causa della perdita, identificazione della perdita
Estremità fredda (punto di uscita del nucleo) Scarsa aderenza del metallo al PFA Spray He sul fondo del nucleo.
Saldatura PFA End CapFusione parziale Spray He la circonferenza del cappuccio
Giunto a flangia stampata Spazio di ritiro dallo stampaggio Spruzzo He nella transizione dalla flangia alla guaina
Pozzetto del pozzetto termometrico (se applicabile) Spruzzo a fondo sottile He incrinato nell'apertura del pozzetto termometrico
Raccordo a compressione Ghiera non serrata Spruzzare He sui punti giusti
Campo di esempio
Un'azienda produttrice di semiconduttori ha richiesto il test di tenuta dell'elio a 80 gradi per tutti i riscaldatori PFA in entrata. Un lotto di 20 riscaldatori è sopravvissuto ai test a temperatura ambiente (< 1 × 10⁻⁷ mbar·L/s). At 80°C 5 of 20 showed leak rates of 2-8 x 10 -5 mbar.L/s. We returned these 5 heaters to the supplier. The 15 passing heaters in the field had a 2% failure rate over 3 years. The firm had previously seen 15% failure rates with untested heaters. The helium test at temperature paid for itself in terms of downtime.

Conclusione: test a 80 gradi, non a temperatura ambiente
Helium leak testing at 80°C allows to confirm the integrity of the metal core seal of a PFA heater and to find faults that are not visible at ambient temperature due to the differential thermal expansion of PFA and metal. Leak rate < 1 × 10⁻⁶ mbar·L/s at 80°C means a hermetic seal of the heater for long term service in humid or corrosive conditions. Rates >1 × 10⁻⁵ mbar·L/s predicono il fallimento precoce (1-3 anni). Per applicazioni critiche (semiconduttori, settore farmaceutico, elevata umidità) test di tenuta dell'elio a 80 gradi con accettabilità<1 x 10-6 mbar.L/sec is required. A few hours of testing time can save you years of failures. Heat seals expand. Gaps open. Moisture gets in. seal tight heat test last long. Helium knows where the leaks are. Listen to it.