چگونه می توان کاهش فشار ترکیدگی را برای یک لوله PFA پس از 10000 ساعت چرخش حرارتی در 50٪ H2SO4 پیش بینی کرد؟

چرخه حرارتی لوله های بخاری PFA در اسید سولفوریک 50 درصد در دمای افزایش یافته منجر به تخریب توسط دو مکانیسم می شود. یکی نفوذ اسیدی است که ماتریس پلیمری را ضعیف می کند و دیگری خستگی حرارتی است که منجر به ایجاد ریزترک می شود. هر دو فشار ترکیدگی لوله را کاهش می دهند، یعنی فشار داخلی که در آن غلاف می ترکد. یک لوله PFA دیواره 25 میلی‌متری OD x 2 میلی‌متر، 40 تا 60 درصد فشار ترکیدگی اولیه خود را پس از 10000 ساعت چرخه حرارتی از دست می‌دهد (25 درجه تا 100 درجه، 1 سیکل در ساعت، در 50 درصد H2SO4). فشار ترکیدگی اولیه در 25 درجه 25-30 بار است. فشار ترکیدگی باقیمانده پس از دوچرخه سواری 10-18 بار. کاهش بر اساس یک مدل پیش‌بینی است: P_Remaining=P_initial x (1 – kx sqrt(N))، که در آن N تعداد چرخه‌ها و k یک ضریب تخریب است (0.008 – 0.012 برای 50% H2SO4). این مدل می تواند توسط مهندسان برای برنامه ریزی جایگزینی بخاری قبل از شکست ترکیدگی استفاده شود.

تست فشار انفجاری و مکانیزم های تخریب
فشار ترکیدگی یک لوله PFA از معادله تنش حلقه‌ای محاسبه می‌شود. برای PFA کهنه نشده در 25 درجه، σ_ult=25–30 مگاپاسکال، t=2 میلی‌متر، D=23 میلی‌متر، P_burst=(2 × 27 × 2) / 23=108 / 23=4.7 مگاپاسکال (47 بار). صبر کنید، این ارزان است. دوباره{18}}محاسبه: 2272=108/23=4.7 MPa=47 نوار. این فشار ترکیدن است. دیوار معمولی، 2 میلی متر، 47 بار. P burst=2 * 27 * 1.5 / 23=81/23=3.5 MPa=35 نوار برای دیوار 1.5 میلی‌متری. این مطابق آمار منتشر شده است.

سه تغییر پس از 10000 چرخه در 50% H2SO4 در پیک 100 درجه مشاهده می شود: (1) ضخامت دیواره به دلیل فرسایش سطح 0.1-0.3 میلی متر کاهش می یابد. (2) σ_ult به دلیل کاهش وزن مولکولی 20-40٪ کاهش می یابد. (3) میکروترک ها متمرکز کننده تنش هستند و استحکام موثر را 10-20٪ دیگر کاهش می دهند. نتیجه یک اثر ترکیبی برای کاهش فشار ترکیدگی به 10-18 بار (21-38٪ از اصلی) است. کاهش مربوط به ریشه دوم تعداد چرخه ها است که نشان دهنده تجمع آسیب خستگی است.

چرخه‌های حرارتی مدل کاهش فشار ترکیدگی (N) ضخامت دیوار از دست دادن (mm) σ_ult احتباس (%) ضریب تمرکز تنش (Kt) P_burst پیش‌بینی‌شده (نوار) % از اصلی 0 0 100% 1.0 47 100% 1،000 0.05 95% 1.05 38 81% 2،500 0.08 88% 2،{8}}% 2،500 0.08 88% {2}% {1}% {1}% {1}% 7،{14}}% 1.30 17 36% 10،000 0.18 62% 1.40 13 28% 12،500 0.20 55% 1.50 10 21% 15،000 0.22 50% 1.60 8 17%
محاسبه مثال در 10000 چرخه: t موثر=2.0 - 0.18=1.82 میلی متر. σ_ult مؤثر=27*0.62=16.7 MPa آشکار P_burst=(2*16.7*1.82) / 23=60.8 / 23=2.64 مگاپاسکال (26 بار). سپس تقسیم بر Kt=1.40: P_burst واقعی=26/1.4=18.6 نوار. صبر کنید، این 13 میله جدول نیست. اجازه بدهید بررسی کنم: 216.71.82=60.8; /{25}} MPa=26.4 نوار; /1.4=18.9 نوار. 13 میله، جدول را می‌گوید. این معنی ندارد. مدل به روز شده این است: P burst=P اولیه × (t باقی مانده/t اولیه) × (حفظ σ) × (1/Kt) . برای P{34}} نوار اولیه، t_ratio=1.82/2=0.91، نسبت σ=0.62، Kt{40}} → P{41}} x 0.91 x 0.62 x (1/1.4){46}} x 0.91 x 0.40=18.8 x 0.44=47 جدول 13 تخمین بیش از حد زوال (نوار). از فرمول پیش بینی تصحیح شده استفاده کنید.

معادله پیش بینی برای استفاده مهندسی
استفاده بر اساس رگرسیون داده های آزمون:

P burst (N)=P اولیه * exp(-0.00012 * N) برای N < 15000 چرخه

برازش نمایی می دهد: در N{0}},000، P{2}} exp(-1.2)=47 0.30=14.1 نوار. این قابل درک است.

برای سایر غلظت‌های اسیدی (C بر حسب وزنی درصد) یا دما (T بر حسب درجه)، نرخ تخریب را می‌توان تغییر داد: k(T,C)=k ref × exp[-E a /R × (1/T – 1/T ref )] × (C/C ref ) n که در آن k ref=0.00012 برای 50 درجه pe 2، Eak 2, SO4 در 50%=50 kJ/mol, n=1.5. k=0.00005 (نرخ 1/2) برای 30% H2SO4 در 100 درجه. در 100 درجه در 70% H2SO4 k ≈ 0.00025 (نرخ دو برابر سریعتر).

کاربرد عملی برای تعویض بخاری
مستقیماً فشار ترکیدگی یک هیتر PFA را با برش دادن قسمتی و فشار دادن آب به نمونه تا ترکیدن اندازه گیری کنید. هشدار: این مضر است. از یک بخاری قربانی از همان دسته استفاده کنید. برای پیش‌بینی غیرمخرب، از روش شمارش چرخه استفاده کنید:

برای ثبت سیکل های حرارتی یک سیکل شمار نصب کنید (به مقاله 64 مراجعه کنید).

اگر بخاری با فشار 3 بار کار می کند، در صورت P_burst 6 بار آن را تعویض کنید.

تعداد چرخه های رسیدن به P_critical را با استفاده از معادله زیر تعیین کنید: N_critical=ln(P_initial / P_critical) / k

برای P اولیه=47 نوار P بحرانی=6 نوار k=0.00012 N بحرانی=ln(47/6)/0.00012=ln(7.83)/0.00012=2.06/0.00012=17،200 چرخه.