چرا پیچش بیش از حد-فلنج نصب بخاری PFA می‌تواند منجر به ترک زودرس استرس در ریشه نخ شود؟

بخاری‌های غوطه‌وری PFA{0}}به دیواره‌ها یا درپوش‌های مخزن با استفاده از فلنج‌های نصب می‌چسبند-که معمولاً از PVDF، پلی‌پروپیلن یا فولاد ضد زنگ با قالب PFA ساخته می‌شوند. هنگامی که فلنج سفت می شود، یک واشر را روی سطح مخزن فشرده می کند تا یک آب بندی محکم مایع ایجاد کند. دستورالعمل‌های نصب، محدوده گشتاوری را برای پیچ‌های نصب ارائه می‌کند، با این حال شکست‌های میدانی معمولاً در ریشه رزوه‌ها در سوراخ‌های پیچ فلنج یا اتصالات رزوه‌ای خود بخاری رخ می‌دهد. این شکاف ها هفته ها یا ماه ها پس از نصب رخ می دهد، گاهی اوقات قبل از اینکه بخاری ساعت های زیادی کار کند. علت نه یک حمله شیمیایی یا تخریب گرما است، بلکه یک فشار مکانیکی بیش از حد در هنگام نصب است. PFA، بر خلاف فلزات، خزش ویسکوالاستیک قوی و نقطه تسلیم مشخصی- ندارد. اگر یک نصب از گشتاوری بیشتر از محدوده مشخص شده استفاده کند، PFA اطراف ریشه نخ در معرض جریان سرد موضعی قرار می‌گیرد و فرسودگی کوچک رخ می‌دهد. تحت تأثیرات ترکیبی تنش باقیمانده نصب و چرخه دمایی متعاقب آن، این خراش‌ها به ترک‌های کامل تبدیل می‌شوند. درک بهتر این فرآیند شکست شامل بررسی تمرکز تنش در ریشه‌های نخ و رفتار شکست وابسته به زمان{11}}فلوروپلیمرها است.

غلظت تنش در ریشه نخ تحت فشار
یک اتصال رزوه ای در فلنج یا اتصالات PFA یک افزایش دهنده تنش طبیعی در ریشه هر رزوه، در شعاع حاد جایی که مشخصات رزوه به ساقه پیچ می رسد، ایجاد می کند. ضریب تمرکز تنش (Kt) در ریشه رزوه تیز برای رزوه های فلزی 2.5 تا 4.0 است، به طوری که تنش موضعی 2.5 تا 4.0 برابر تنش اسمی ناشی از بار پیچ است. PFA با داشتن مدول کمتر و شکل‌پذیری بهتر، حتی غلظت مؤثر بالاتری دارد زیرا پلیمر نمی‌تواند از طریق تسلیم موضعی به اندازه فلز بارگذاری کند. مطالعه المان محدود یک رزوه M12 در فلنج PFA با گشتاور پیچ 15 نیوتن متر (معمولی برای فلنج 50 میلی متری) نشان دهنده اوج تنش اصلی در ریشه رزوه 22-28 مگاپاسکال در مقایسه با تنش فشاری اسمی روی سطح فلنج تنها 3-4 مگاپاسکال است. این غلظت تنش 6 تا 8 برابر اسمی رخ می دهد زیرا PFA به صورت الاستیک در زیر سر پیچ تغییر شکل می دهد و ترجیحاً نیرو را به اولین نخ درگیر منتقل می کند.

اگر یک نصب‌کننده بیش از-گشتاور-25 N·m به جای 15 N·m داشته باشد، حداکثر کشش در ریشه نخ به صورت غیر خطی- افزایش می‌یابد. PFA در حدود 12 تا 14 مگاپاسکال (مقاومت تسلیم فشاری آن در دمای اتاق) شروع به تسلیم موضعی می کند. پس از تسلیم، منحنی کرنش{17}}تنش به فلاتی برخورد می کند که در آن کرنش بیشتر بدون افزایش تنش زیاد صورت می گیرد. اما شکل ریشه نخ اجازه عملکرد یکنواخت را نمی دهد. ابتدا مواد در ریشه جای خود را می دهد و سپس منطقه بازده گسترش می یابد. ناحیه پلاستیکی تقریباً 1.5-2.0 میلی متر از ریشه نخ در 25 نیوتن متر می باشد. با حذف گشتاور، نواحی تغییر شکل الاستیک سعی در بازیابی می کنند، اما ناحیه تغییر شکل پلاستیکی به شکل قبلی خود باز نمی گردد. این عدم تطابق یک کشش کششی باقیمانده در ریشه ایجاد می کند - پلیمر به طور موثر در شعاع ریشه کمتر کشیده می شود. سطح تنش پسماند، که با روش‌های فوتوالاستیک روی نمونه‌های PFA شفاف ارزیابی می‌شود، 4-8 مگاپاسکال پس از یک رویداد بیش از{23} گشتاور است. این تنش پسماند به تنهایی برای ایجاد شکستگی کافی نیست، بلکه به عنوان یک پیش بار عمل می کند که به تنش های عملیاتی می افزاید.

انتقال از Crazing به Cracking با Thermal Cycling
مانند بسیاری از پلیمرهای نیمه کریستالی، PFA به جای ترک‌های سنتی تحت تنش کششی متوسط، شکاف ایجاد می‌کند. کریز یک نوار نازک از فیبرهای پلیمری با جهت گیری قوی است که بر روی یک ناحیه خالی، معمولاً 1 تا 5 میکرومتر عرض و 50 تا 200 میکرومتر طول دارد. کریزها انرژی جذب می کنند و می توانند یک خطا را برای هزاران چرخه بار تثبیت کنند. هنگامی که فیبریل ها در دیوانگی شکسته می شوند، معمولاً تحت نیروی اضافی یا برهم کنش با محیط، ترک های واقعی را تشکیل می دهند. در یک فلنج با گشتاور صحیح (گشتاور در محدوده تعیین شده است)، هرگونه پیچ و تاب ایجاد شده در ریشه رزوه ها برای طول عمر پیش بینی شده بخاری ثابت می ماند، زیرا کشش باقیمانده از نصب به علاوه تنش چرخه حرارتی زیر آستانه انتقال-به-ترک است. دو عنصری که انتقال به شکستن یک فلنج بیش از{11}}گشتش‌شده را تسهیل می‌کنند عبارتند از: اول، تنش پسماند بزرگ‌تر است (4-8 مگاپاسکال در مقابل{13}} مگاپاسکال برای گشتاور بهینه) اجازه می‌دهد تا قبل از فراتر رفتن از تنش پیچ‌خوردگی، تحمل کمتری داشته باشیم. دوم، ناحیه پلاستیکی بزرگ‌تر منجر به نقص طولانی‌تری می‌شود که باعث ایجاد دیوانگی در ریشه نخ می‌شود. ضریب شدت تنش در نوک خراش متناسب با جذر طول پیچ است، بنابراین یک شوق اولیه طولانی‌تر به نیروی اضافی کمتری برای انتشار نیاز دارد.

افزایش تنش ناشی از چرخه حرارتی، ترک های پایدار را به ترک های در حال انتشار تبدیل می کند. هر بار که هیتر از دمای محیط به دمای عملیاتی می رسد (مثلاً 25 درجه تا 90 درجه برای حمام اسید اچ)، فلنج PFA بیشتر از پیچ فلزی منبسط می شود. این به این دلیل است که ضریب انبساط حرارتی PFA (100-120 ppm/درجه) تقریباً شش برابر فولاد ضد زنگ (17ppm/درجه) است. این انبساط دیفرانسیل علاوه بر تنش باقیمانده نصب، باعث ایجاد تنش کششی اضافی در PFA اطراف پیچ می شود. برای فلنج 50 میلی متری و پیچ 4 x M8، افزایش دمای 70 درجه منجر به تنش کششی 5{22}}7 مگاپاسکال اضافی در PFA اطراف سوراخ پیچ می شود. در فلنج با گشتاور خوب، تنش کلی (1 - 2 مگاپاسکال + حرارتی 5 - 7 مگاپاسکال) 6 - 9 مگاپاسکال است، زیر آستانه 10 - 12 مگاپاسکال برای انتقال شوق-به-ترک برای اکثر درجات PFA. تنش کل برای یک فلنج با گشتاور بیش از{35} 9-15 مگاپاسکال است (4-8 مگاپاسکال باقیمانده به اضافه 5-7 مگاپاسکال حرارتی)، که بیش از آستانه انتقال است. بعد از 100{39}}500 چرخه حرارتی، ترک‌هایی از ریشه نخ ایجاد می‌شود و در چرخه‌های بعدی در ضخامت فلنج پیشرفت می‌کند. ترک معمولی از طریق{40}}دیوار، بسته به شدت گشتاور بیش از حد و دمای کارکرد، به 1000-3000 چرخه از ابتدای انتقال از جنون به ترک نیاز دارد.

تشخیص آسیب بیش از-گشتاور قبل از رشد ترک
آسیب ناشی از گشتاور{0}بیش از حد روی سطح فلنج بیرونی بلافاصله پس از نصب آشکار نیست. پیچ و تاب و تغییر شکل پلاستیک به سوراخ پیچ در ریشه رزوه محدود می شود و با بازرسی بصری قابل تشخیص نیست. با این حال، سه رویکرد غیرمخرب- وجود دارد که می‌توانند بیش از-فلنج‌های PFA گشتاور شده را قبل از رسیدن ترک‌ها به سطح شناسایی کنند. اولین تکنیک اندازه گیری احتباس گشتاور پیچ است. فلنج را با گشتاور مشخص شده نصب کنید، موقعیت سر پیچ را نسبت به فلنج علامت بزنید، سپس گشتاور را بعد از 24 ساعت در دمای اتاق دوباره بررسی کنید. PFA با گشتاور و خزش بیش از حد{11}در عرض 24 ساعت 30 تا 50 درصد از گشتاور اولیه را از دست می دهد، زمانی که پلیمر سرد تحت فشار پایدار جریان یابد. فلنج با گشتاور مناسب فقط 5{19}}15% گشتاور اولیه را از دست می دهد. اگر نشتی ظاهری وجود نداشته باشد و افت گشتاور بیشتر از 25٪ باشد، احتمالاً فلنج در این نصب یا قبل از آن بیش از-گشتاور شده است. گزینه دوم این است که پس از برداشتن پیچ، یک حفره حفره یا پروب فیبر نوری را در سوراخ پیچ قرار دهید. تحت بزرگنمایی، ریشه‌های نخ لکه‌های سفید شده را نشان می‌دهند، فرآیندی به نام سفید کردن استرس، که نتیجه ایجاد فضای خالی کوچک است. ریشه های نخ بیش از حد گشتاور یک نوار سفید پیوسته را در امتداد تمام ریشه دو نخ اول نشان می دهند. ریشه هایی که به درستی Torqued شده اند هیچ لکه های سفید یا ریز جدا شده ای ندارند.

تکنیک سوم، آزمایش تداوم الکتریکی زمانی است که فلنج دارای صفحه زمین تعبیه شده باشد. این یک پیکربندی معمول برای بخاری های PFA برای کاربردهای نیمه هادی است. گشتاور بیش از حد باعث ایجاد ترک یا فرورفتگی شدید در ضخامت فلنج می شود که امکان دسترسی رطوبت به سطح زمین را فراهم می کند. مقاومت بین صفحه زمین و الکترود مرجع در مایع مخزن را اندازه گیری کنید. فلنج که به درستی مهر و موم شده باشد، مقاومت بیش از 1000 MΩ را نشان می دهد. فلنج با شکستگی که از ریشه نخ شروع می شود 100-500 MΩ را نشان می دهد. فلنج ترک خوردگی جزئی از دیوار 1-100 MΩ است. این آزمایش فقط برای فلنج‌های دارای لایه رسانای پیوسته و نه همه فلنج‌های PFA اعمال می‌شود. روش حفظ گشتاور مطمئن ترین روش تشخیص میدانی برای فلنج های تمام PFA است.

راهنمای محدودیت گشتاور و پیشگیری از شکست
جدول زیر مقادیر حداکثر گشتاور پیشنهادی را برای اندازه های معمولی فلنج و رزوه PFA و اثرات فراتر از این محدودیت ها ارائه می دهد. مقادیر برای یک رزوه تمیز و خشک بدون روانکاری است (نخ های روغن کاری شده اصطکاک را کاهش می دهند و برای همان گشتاور پیش بار را افزایش می دهند، بنابراین 20 - 30 درصد کاهش گشتاور مورد نیاز است). تمام توصیه ها برای PFA در دمای اتاق در هنگام نصب است. اگر دمای فلنج در هنگام نصب بالای 40 درجه باشد، مقادیر گشتاور باید 15٪ کاهش یابد.

فلنج یا نوع اتصال Size Thread Recommended محدوده گشتاور (N·m) حد گشتاور (N·m) پیامد تجاوز از حد چرخه های مورد انتظار برای ترک در حد PFA-فلنج محصور شده، قطر 50 میلی متر M{2}} تا 6 10 تنش بیش از حد: بیش از حد سفید تا {4} 35% از دست دادن گشتاور در 24 ساعت 500-1000 دور ΔT{10}} درجه
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40٪ 200-500 چرخه
فلنج محصور شده با PFA، قطر 100 میلی‌متر M10 12–16 22 شدید: تغییر شکل پلاستیکی سطح فلنج، ترک‌ها در اولین نخ 50-200 چرخه ایجاد می‌شوند.
اتصالات رزوه ای PFA جامد (NPT یا BSP) 1/2 اینچ (DN15) 3–5 8 خطر کنده شدن نخ، ترک خوردگی در ریشه نخ در روزهای 10 تا 50 سیکل (شکست فوری رایج)
اتصالات رزوه ای جامد PFA 3/4 اینچ (DN20) 5-8 12 ترک خوردن فلنج، اتصال ممکن است در چرخه پیچ 20-100 ایجاد شود

جلوگیری از آسیب بیش از-گشتاور شامل انتخاب ابزار و آموزش است.