Miért vezethet a PFA fűtőelem rögzítőperemének túlzott-húzása a menetgyökérnél idő előtti feszültségrepedéshez?

A PFA-kapszulázott merülőfűtők a tartály falaira vagy fedelére rögzíthetők rögzítőkarimákkal-, amelyek jellemzően PVDF-ből, polipropilénből vagy rozsdamentes acélból készülnek, PFA öntőformával. Amikor a karima meg van húzva, egy tömítést nyom a tartály felületéhez, hogy folyadékzáró tömítést hozzon létre. A beszerelési útmutató megadja a rögzítőcsavarok nyomatéktartományát, azonban a helyszíni hibák általában a karima csavarfuratainak vagy a fűtőelem saját menetes szerelvényének csavarfuratainak tövénél fordulnak elő. Ezek a repedések a telepítés után hetekkel vagy hónapokkal jelentkeznek, néha még azelőtt, hogy a fűtőberendezés sok üzemórát lejárt volna. Az ok nem kémiai támadás vagy hőbomlás, hanem mechanikai túlfeszítés a telepítés során. A PFA a fémekkel ellentétben erős viszkoelasztikus kúszást mutat, és nincs jól meghatározott folyáshatár. Ha egy telepítés a megadott tartománynál nagyobb nyomatékot használ, a menetgyökeret körülvevő PFA helyi hideg áramlásnak van kitéve, és apró repedések lépnek fel. A fennmaradó telepítési feszültség és az azt követő hőmérséklet-ciklus együttes hatása alatt ezek az őrületek teljes repedésekké fejlődnek. Ennek a tönkremeneteli folyamatnak a jobb megértése magában foglalja a fluorpolimerek fonalgyökereinek feszültségkoncentrációjának és időfüggő tönkremenetelének vizsgálatát.

A feszültségkoncentráció a szálgyökereknél kompresszió alatt
A PFA karimában vagy idomban lévő menetes csatlakozás természetes feszültségnövelőt jelent minden egyes menet gyökerénél, azon a hegyes sugáron, ahol a menetprofil találkozik a csavarszárral. A feszültségkoncentrációs tényező (Kt) az éles menetgyöknél fémmeneteknél 2,5-4,0, így a helyi feszültség 2,5-4,0-szerese a csavarterhelésből származó névleges feszültségnek. Az alacsonyabb modulusú és jobb alakíthatóságú PFA effektív koncentrációja még magasabb, mivel a polimer nem képes olyan hatékonyan osztani a terhelést a helyi hozam révén, mint a fém. Egy PFA-karimában lévő M12-es menet végeselemes vizsgálata 15 Nm csavarnyomatékkal (jellemzően 50 mm-es karimára) 22-28 MPa főfeszültség-csúcsot jelez a menet gyökerénél, szemben a karima felületén jelentkező névleges nyomófeszültséggel, amely mindössze 3-4 MPa. Ez a névleges 6-8-szoros feszültségkoncentráció akkor következik be, amikor a PFA rugalmasan deformálódik a csavarfej alatt, és előnyben részesíti az erőt az első bekapcsolt menetre.

Ha a telepítő 15 N·m helyett 25 N·m-nél nagyobb-nyomatékot{3}}nyom meg, a csúcsfeszültség a menet gyökerénél nem-lineárisan növekszik. A PFA durván 12-14 MPa-nál (szobahőmérsékleten a nyomószilárdsága) kezd lokálisan hozni. Az enyhülést követően a feszültség{17}}alakulási görbe elér egy olyan fennsíkot, ahol további feszültségek lépnek fel a feszültség jelentős növekedése nélkül. De a fonalgyökér alakja nem teszi lehetővé az egyenletes termést. Először a gyökérnél lévő anyag enged be, majd a termőzóna szétterül. A műanyag zóna nagyjából 1,5–2,0 mm-re nyúlik át a menet gyökerétől 25 N·m-en. A nyomaték eltávolításakor a rugalmasan deformált zónák megpróbálnak helyreállni, de a plasztikusan deformált zóna nem tér vissza korábbi alakjába. Ez az eltérés maradék húzófeszültséget hagy a gyökérnél - a polimer hatékonyan megnyúlik egy alulméretezett gyökérsugáron. Az átlátszó PFA-mintákon fotoelasztikus módszerekkel kiértékelt maradék feszültségszint 4–8 MPa egy nyomatéktúllépés után. Ez a maradó feszültség önmagában nem elegendő az azonnali törés létrejöttéhez, hanem előterhelésként működik, amely növeli az üzemi feszültségeket.

Átmenet az őrlésről a repedésre a termikus kerékpározással
Mint sok félkristályos polimernél, a PFA-nál is a hagyományos repedések helyett, mérsékelt húzófeszültség mellett őrületek keletkeznek. Az őrület erősen orientált polimer fibrillák vékony sávja, amely egy üreges területen húzódik, jellemzően 1–5 µm széles és 50–200 µm hosszú. Az őrületek energiaelnyelőek, és több ezer terhelési cikluson keresztül stabilizálhatják a hibát. Amikor az őrületben lévő rostok eltörnek, általában valamilyen extra erő hatására vagy a környezettel való interakció hatására, valódi repedéseket képeznek. Megfelelően meghúzott karimánál (a nyomaték az előírt tartományon belül van) a menetek gyökerénél kialakuló repedések stabilak maradnak a fűtőelem tervezett élettartama alatt, mivel a beszerelésből származó maradék feszültség és a hőciklus feszültsége a törési ---repedés átmeneti küszöbértéke alatt van. A két elem, amely megkönnyíti az átmenetet a túlnyomatékkal rendelkező karima töréséhez: Először is, a maradék feszültség nagyobb (4-8 MPa vs Másodszor, a nagyobb műanyag zóna hosszabb hibát eredményez, amely elindítja az őrületet a fonal gyökerénél. A feszültség intenzitási tényezője a craze csúcsánál arányos a törés hosszának négyzetgyökével, ezért egy hosszabb kezdeti őrület kevesebb extra erőt igényel a terjedéshez.

A hőciklus miatt megnövekedett feszültség a stabil őrületeket terjedő repedésekké változtatja. Minden alkalommal, amikor a fűtőelem környezeti hőmérsékletről üzemi hőmérsékletre vált (pl. 25 fokról 90 fokra savas maratófürdő esetén), a PFA karima jobban kitágul, mint a fémcsavar. Ennek az az oka, hogy a PFA hőtágulási együtthatója (100–120 ppm/fok) körülbelül hatszorosa a rozsdamentes acélénak (17 ppm/fok). Ez a differenciális tágulás extra húzófeszültséget indukál a csavart körülvevő PFA-ban, a maradék beépítési feszültségen felül. 50 mm-es karima és 4 x M8 csavarok esetén a 70 fokos hőmérséklet-emelkedés további 5-7 MPa húzófeszültséget eredményez a PFA-ban a csavarfurat körül. Egy jól meghúzott karimában a teljes feszültség (maradék 1 - 2 MPa + termikus 5 - 7 MPa) 6 - 9 MPa, a legtöbb PFA-minőségnél az 10 - 12 MPa törési ---repedés-átmenet küszöbértéke alatt. A túlnyomatékkal rendelkező karima teljes feszültsége 9–15 MPa (maradék 4–8 MPa plusz termikus 5–7 MPa), ami meghaladja az átmeneti küszöböt. 100-500 termikus ciklus után repedések alakulnak ki a menet gyökeréből, és a következő ciklusokban a karima vastagságán haladnak keresztül. A tipikus falrepedés 1000-3000 ciklust igényel az őrléstől a repedésig való átmenet kezdetétől, a túlfeszítés súlyosságától és az üzemi hőmérséklettől függően.

A túlnyomaték{0}}károsodásának észlelése a repedés növekedése előtt
A túlzott meghúzás{0}} által okozott sérülés nem látható közvetlenül a beszerelés után a külső karima felületén. A repedések és a képlékeny deformáció a menet gyökerénél lévő csavarlyukra korlátozódik, és szemrevételezéssel nem észlelhető. Létezik azonban három roncsolásmentes megközelítés, amely képes észlelni a túl-nyomatékos PFA-karimákat, mielőtt a repedések elérnék a felületet. Az első technika a csavar nyomaték megtartásának mérése. Szerelje be a karimát a megadott nyomatékkal, jelölje meg a csavarfej helyzetét a karimához képest, majd 24 óra elteltével szobahőmérsékleten{7}}ellenőrizze újra a nyomatékot. A túlzott nyomatékú és túlzottan kúszó PFA 24 órán belül elveszíti a kezdeti forgatónyomaték 30–50%-át, amikor a polimer hidegen áramlik tartós nyomás alatt. A megfelelően meghúzott karima az eredeti nyomaték mindössze 5-15%-át veszíti el. Ha nincs látszólagos szivárgás, és a nyomatékveszteség nagyobb, mint 25%, a karima valószínűleg túlnyomatékos volt ebben a telepítésben vagy korábban. A második lehetőség az, hogy a csavar eltávolítása után egy furattávcsövet vagy száloptikai szondát helyezünk a csavarlyukba. Nagyítás alatt a fonal gyökerein kifehéredett foltok láthatók, ezt a folyamatot stresszfehérítésnek nevezik, és amelyek mikro-üregek kialakulásának eredménye. A túlnyomott szálgyökereknél az első két szál teljes gyökerén egy folytonos fehér sáv látható. A megfelelően meghúzott gyökereken nincs fehéredés vagy elszigetelt apró fehér foltok.

A harmadik technika az elektromos folytonosság vizsgálata, amikor a karimának van beágyazott alaplapja. Ez a félvezető alkalmazásokhoz használt PFA fűtőberendezések általános konfigurációja. A túlzott megfeszítés repedéseket vagy súlyos repedéseket okoz a karima vastagságán keresztül, ami lehetővé teszi a nedvesség hozzáférését az alaplaphoz. Mérje meg az ellenállást az alaplap és a tartályfolyadékban lévő referenciaelektróda között. A megfelelően tömített karima > 1000 MΩ ellenállást jelez. A menetgyöknél kezdődő töréssel rendelkező karima 100–500 MΩ-t mutat. A részben átmenő falrepedő karima 1-100 MΩ. Ez a teszt csak a folytonos vezetőréteggel rendelkező karimákra vonatkozik, és nem minden{15}}PFA karimára. A forgatónyomaték megtartási módszer a legmegbízhatóbb terepi diagnosztikai módszer a teljes PFA karimák esetében.

Útmutató a nyomatékkorlátozáshoz és a meghibásodás megelőzéséhez
Az alábbi táblázat tartalmazza a javasolt maximális nyomatékértékeket a tipikus PFA karima- és menetméretekhez, valamint e korlátozások túllépésének hatásait. Az értékek tiszta, száraz, kenés nélküli menetre vonatkoznak (a megkent menetek csökkentik a súrlódást és növelik az előterhelést ugyanazon nyomaték mellett, ezért 20 - 30 %-os nyomatékcsökkentésre van szükség). Minden ajánlás a PFA-ra vonatkozik szobahőmérsékleten a telepítés során. A nyomatékértékeket 15%-kal csökkenteni kell, ha a karima hőmérséklete 40 fok felett van a szerelés során.

Karima vagy idom típusa Menetméret Javasolt nyomatéktartomány (N·m) Nyomatékhatár (N·m) Határérték túllépés következménye Várható ciklusok repedésig a határnál PFA-kapszulázott karima, 50 mm átmérő M6 4-tól {{3}-ig menetfehérítéstől 5-ig 35%-os nyomatékveszteség 24 óra alatt 500-1000 ciklus ΔT=70 fok
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 ciklus
PFA tokozott karima, átmérő 100 mm M10 12–16 22 Súlyos: a karima felületének képlékeny deformációja, repedések keletkeznek az első menetnél 50-200 ciklusnál
Tömör PFA menetes idom (NPT vagy BSP) 1/2 hüvelyk (DN15) 3–5 8 Menetcsupaszodás kockázata, feszültségrepedés a menet gyökerénél 10–50 napos ciklusokban (gyakori azonnali meghibásodás)
Tömör PFA menetes idom 3/4 hüvelykes (DN20) 5-8 12 A karima megrepedése, a szerelvény megakadhat csavarnál 20-100 ciklus

A nyomaték túlzott károsodásának megelőzése{0}}szerszámválasztást és betanítást igényel.