Perché una coppia eccessiva-della flangia di montaggio del riscaldatore PFA può provocare rotture premature da stress alla radice della filettatura?

I riscaldatori a immersione incapsulati in PFA-si fissano alle pareti o ai coperchi del serbatoio utilizzando flange di montaggio-solitamente costruite in PVDF, polipropilene o acciaio inossidabile con un sovrastampaggio in PFA. Quando la flangia viene serrata, comprime una guarnizione contro la superficie del serbatoio per garantire una tenuta stagna ai liquidi. Le istruzioni di installazione forniscono un intervallo di coppia per i bulloni di montaggio, tuttavia i guasti sul campo si verificano comunemente alla radice delle filettature nei fori dei bulloni della flangia o nel raccordo filettato del riscaldatore. Queste fessure si verificano settimane o mesi dopo l'installazione, a volte prima che il riscaldatore abbia funzionato per molte ore. La causa non è né un attacco chimico né un degrado termico ma un eccessivo sforzo meccanico durante l'installazione del . Il PFA, a differenza dei metalli, mostra un forte scorrimento viscoelastico e un punto di snervamento non ben definito. Se un'installazione utilizza una coppia superiore all'intervallo specificato, il PFA che circonda la radice della filettatura è soggetto a flusso freddo localizzato e si verificano piccole screpolature. Sotto gli effetti combinati dello stress di installazione residuo e dei successivi cicli di temperatura, queste cavillature si sviluppano in crepe complete. Una migliore comprensione di questo processo di cedimento implica lo studio della concentrazione di stress alle radici del filo e del comportamento di cedimento-dipendente dal tempo dei fluoropolimeri.

Concentrazione dello stress alle radici del filo sotto compressione
Una giunzione filettata in una flangia o raccordo in PFA presenta un naturale aumento di tensione alla radice di ciascuna filettatura, nel raggio acuto dove il profilo della filettatura incontra il gambo del bullone. Il fattore di concentrazione della sollecitazione (Kt) sulla radice affilata della filettatura per le filettature metalliche è compreso tra 2,5 e 4,0, quindi la sollecitazione locale è compresa tra 2,5 e 4,0 volte la sollecitazione nominale derivata dal carico del bullone. Il PFA, avendo un modulo inferiore e una migliore duttilità, ha una concentrazione effettiva ancora più elevata poiché il polimero non può condividere il carico attraverso uno cedimento localizzato con la stessa efficacia del metallo. Lo studio agli elementi finiti di una filettatura M12 in una flangia PFA con una coppia di serraggio di 15 Nm (tipica per una flangia da 50 mm) indica uno stress principale di picco alla radice della filettatura di 22-28 MPa rispetto ad uno stress di compressione nominale sulla faccia della flangia di soli 3-4 MPa. Questa concentrazione di sollecitazione pari a 6–8 volte quella nominale si verifica poiché il PFA si deforma elasticamente sotto la testa del bullone e trasferisce preferenzialmente la forza alla prima filettatura impegnata.

Se un installatore supera le-coppie-25 N·m invece di 15 N·m, la tensione di picco alla radice della filettatura aumenta in modo non-lineare. Il PFA inizia a cedere localmente a circa 12-14 MPa (la sua resistenza allo snervamento a compressione a temperatura ambiente). Dopo aver ceduto, la curva stress-deformazione raggiunge un plateau dove si verificano ulteriori deformazioni senza un notevole aumento dello stress. Ma la forma della radice del filo non permette un cedimento uniforme. Prima cede il materiale alla radice, poi la zona cedevole si allarga. La zona plastica si estende per circa 1,5–2,0 mm dalla radice della filettatura a 25 N·m. Dopo la rimozione della torsione, le zone elasticamente deformate tentano di riprendersi, ma la zona plasticamente deformata non ritorna alla forma precedente. Questo disadattamento lascia una tensione di trazione residua alla radice - il polimero viene effettivamente allungato su un raggio della radice sottodimensionato. Il livello di stress residuo, valutato con metodi fotoelastici su campioni PFA trasparenti, è di 4–8 MPa dopo un evento di coppia eccessiva. Questa tensione residua da sola non è sufficiente a produrre una rottura immediata ma agisce come un precarico che si aggiunge alle sollecitazioni di funzionamento.

Transizione dal Crazing al Cracking con il Thermal Cycling
Come con molti polimeri semicristallini, il PFA sviluppa crepe invece delle tradizionali crepe sotto modesto stress di trazione. Una mania è una sottile banda di fibrille polimeriche fortemente orientate che si estende su una regione vuota, tipicamente 1–5 µm di larghezza e 50–200 µm di lunghezza. Le rotture assorbono energia e possono stabilizzare un guasto per migliaia di cicli di carico. Quando le fibrille nella frenesia si rompono, solitamente sotto qualche forza aggiuntiva o per l'interazione con l'ambiente, formano delle vere e proprie crepe. In una flangia serrata correttamente (la coppia rientra nell'intervallo prescritto), eventuali cavillature formate alle radici delle filettature rimarranno stabili per tutta la durata prevista del riscaldatore, poiché la tensione residua dall'installazione più la sollecitazione del ciclo termico è inferiore alla soglia di transizione da craze-a-crack. I due elementi che facilitano la transizione alla rottura di una flangia eccessiva-serrata sono: Innanzitutto, la sollecitazione residua è maggiore (4-8 MPa rispetto a. 1-2 MPa per una coppia ottimale) consentendo una minore tolleranza prima che venga superata la sollecitazione di screpolatura. In secondo luogo, la zona plastica più ampia si traduce in un difetto più lungo che dà inizio alla frenesia alla radice del filo. Il fattore di intensità dello stress all'apice della mania è proporzionale alla radice quadrata della lunghezza della mania, quindi una mania iniziale più lunga richiede meno forza extra per propagarsi.

L'aumento della tensione dovuto al ciclo termico trasforma le crepe stabili in crepe che si propagano. Ogni volta che il riscaldatore passa dalla temperatura ambiente a quella operativa (ad esempio, da 25 gradi a 90 gradi per un bagno di attacco acido), la flangia PFA si espande più del bullone metallico. Questo perché il coefficiente di dilatazione termica del PFA (100–120 ppm/grado) è circa sei volte quello dell'acciaio inossidabile (17 ppm/grado). Questa espansione differenziale induce uno stress di trazione aggiuntivo nel PFA che circonda il bullone, oltre allo stress di installazione residuo. Per una flangia da 50 mm e 4 bulloni M8, un aumento della temperatura di 70 gradi comporta una sollecitazione di trazione aggiuntiva di 5-7 MPa nel PFA attorno al foro del bullone. In una flangia ben serrata, lo stress complessivo (1 - 2 MPa residuo + 5 - 7 MPa termico) è 6 - 9 MPa, al di sotto della soglia 10 - 12 MPa per la transizione da craze-a-crack per la maggior parte dei gradi PFA. Lo stress totale per una flangia sovraserrata è di 9–15 MPa (4–8 MPa residui più 5–7 MPa termici), che è superiore alla soglia di transizione. Dopo 100-500 cicli termici si sviluppano cricche dalla radice della filettatura che progrediscono attraverso lo spessore della flangia nei cicli successivi. La tipica fessurazione attraverso-un muro richiede 1.000-3.000 cicli dall'inizio della transizione da craze a crack, a seconda della gravità della coppia eccessiva e della temperatura operativa.

Rilevamento dei danni da coppia eccessiva-prima della formazione di crepe
I danni causati da una coppia eccessiva-non sono evidenti sulla superficie della flangia esterna immediatamente dopo l'installazione. Le cavillature e le deformazioni plastiche sono limitate al foro del bullone alla base della filettatura e non sono rilevabili mediante ispezione visiva. Esistono tuttavia tre approcci non-distruttivi in ​​grado di rilevare flange PFA sovraserrate-prima che le crepe raggiungano la superficie. La prima tecnica è la misurazione della ritenzione della coppia del bullone. Installa la flangia alla coppia specificata, segna la posizione della testa del bullone rispetto alla flangia, quindi ri-controlla la coppia dopo 24 ore a temperatura ambiente. Il PFA-con coppia eccessiva e-con uno scorrimento eccessivo perderà il 30–50% della coppia iniziale entro 24 ore quando il polimero scorre a freddo sotto compressione prolungata. Una flangia serrata correttamente perde solo il 5-15% della coppia originale. Se non vi sono perdite apparenti e la perdita di coppia è superiore al 25%, è probabile che la flangia sia stata serrata eccessivamente-in questa installazione o in precedenza. La seconda opzione consiste nel posizionare un boroscopio o una sonda a fibra ottica nel foro del bullone dopo che il bullone è stato rimosso. Sotto ingrandimento, le radici dei fili mostrano macchie sbiancate, un processo chiamato sbiancamento da stress, che è il risultato dello sviluppo di micro-vuoti. Le radici dei fili eccessivamente serrate presentano una fascia bianca continua lungo tutta la radice dei primi due fili. Le radici serrate correttamente non presentano sbiancamenti o piccole macchie bianche isolate.

La terza tecnica è il test di continuità elettrica quando la flangia ha un piano di massa incorporato. Questa è una configurazione comune per i riscaldatori PFA per applicazioni con semiconduttori. Una coppia eccessiva-provoca crepe o gravi screpolature nello spessore della flangia consentendo l'accesso dell'umidità al piano di massa. Misurare la resistenza tra il piano di massa e un elettrodo di riferimento nel liquido del serbatoio. Una flangia adeguatamente sigillata indicherà una resistenza > 1.000 MΩ. Una flangia con una frattura che inizia alla radice della filettatura presenta 100–500 MΩ. La flangia di fessurazione parziale attraverso la parete è di 1-100 MΩ. Questo test si applica solo alle flange con uno strato conduttivo continuo e non a tutte le-flange PFA. Il metodo di ritenzione della coppia è il metodo diagnostico sul campo più affidabile per le flange interamente in PFA.

Raccomandazioni sui limiti di coppia e guida alla prevenzione dei guasti
La tabella seguente fornisce i valori di coppia massimi suggeriti per le dimensioni tipiche della flangia e della filettatura PFA e gli effetti del superamento di tali limiti. I valori si riferiscono a una filettatura pulita e asciutta senza lubrificazione (le filettature lubrificate riducono l'attrito e aumentano il precarico per la stessa coppia, pertanto è necessaria una riduzione della coppia del 20 - 30 %). Tutte le raccomandazioni riguardano il PFA a temperatura ambiente durante l'installazione. I valori di coppia devono essere ridotti del 15% se la temperatura della flangia è superiore a 40 gradi durante l'installazione.

Tipo di flangia o raccordo Dimensioni filettatura Intervallo di coppia consigliato (N·m) Limite di coppia (N·m) Conseguenza del superamento del limite Cicli previsti per rottura al limite PFA-flangia incapsulata, diametro 50 mm Da M6 4 a 6 10 Coppia eccessiva- moderata: sbiancamento da stress alla radice della filettatura, perdita di coppia dal 25 al 35% in 24 ore 500-1.000 cicli ΔT=70 gradi
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 cicli
Flangia rivestita in PFA, diametro 100 mm M10 12–16 22 Grave: deformazione plastica della superficie della flangia, si sviluppano crepe alla prima filettatura 50–200 cicli
Raccordo filettato PFA solido (NPT o BSP) 1/2 pollice (DN15) 3–5 8 Rischio di sfilamento della filettatura, fessurazioni da stress alla radice della filettatura in giorni 10–50 cicli (rottura immediata comune)
Raccordo filettato PFA solido da 3/4 pollici (DN20) 5-8 12 Rottura della flangia, il raccordo potrebbe gripparsi dopo 20-100 cicli del bullone

La prevenzione dei danni da coppia eccessiva- implica la selezione e la formazione degli strumenti.