Зашто преко{0}}затезање монтажне прирубнице ПФА грејача може довести до прераног пуцања напрезања у корену навоја?

ПФА-инкапсулирани урањајући грејачи се причвршћују на зидове или поклопце резервоара помоћу прирубница за монтажу-обично направљених од ПВДФ-а, полипропилена или нерђајућег челика са ПФА преливом. Када је прирубница затегнута, она притиска заптивку на површину резервоара како би се створила течност непропусна заптивка. Упутства за инсталацију дају опсег обртног момента за монтажне завртње, међутим кварови на терену се обично јављају у корену навоја у рупама за завртње прирубнице или на сопственом навојном споју грејача. Ове пукотине се јављају недељама или месецима након инсталације, понекад пре него што грејач ради много радних сати. Узрок није ни хемијски напад ни топлотна деградација, већ механичко преоптерећење током инсталације. ПФА, за разлику од метала, показује снажно вискоеластично пузање и нема добро-дефинисану тачку течења. Ако инсталација користи обртни момент већи од специфицираног опсега, ПФА који окружује корен навоја је подвргнут локализованом хладном току и долази до ситног пуцања. Под комбинованим ефектима заосталог напрезања при уградњи и накнадних температурних циклуса, ове напуклине се развијају у потпуне пукотине. Боље разумевање овог процеса квара укључује испитивање концентрације напона на коренима навоја и временски{11}}зависног понашања флуорополимера при отказивању.

Концентрација напона на коренима навоја под компресијом
Спој са навојем у ПФА прирубници или фитингу представља природни подизач напрезања у корену сваког навоја, на акутном радијусу где се профил навоја сусреће са дршком завртња. Фактор концентрације напона (Кт) на корену оштрог навоја за металне навоје је 2,5 до 4,0, тако да је локални напон 2,5 до 4,0 пута већи од номиналног напрезања добијеног од оптерећења завртња. ПФА, који има нижи модул и бољу дуктилност, има још већу ефективну концентрацију пошто полимер не може да удео оптерећује кроз локализовано попуштање једнако ефикасно као метал. Студија коначних елемената навоја М12 у ПФА прирубници са обртним моментом завртња од 15 Нм (типично за прирубницу од 50 мм) указује на вршни главни напон у корену навоја од 22-28 МПа у поређењу са номиналним напоном притиска на предњој страни прирубнице од само 3-4 МПа. Ова концентрација напона од 6-8 пута већа од номиналне настаје када се ПФА еластично деформише испод главе завртња и првенствено преноси силу на први захваћени навој.

Ако инсталатер преко-окретног момента-25 Н·м уместо 15 Н·м, вршна напетост у корену навоја се повећава не-линеарно. ПФА почиње да локално попушта на отприлике 12 до 14 МПа (његова чврстоћа течења на притисак на собној температури). Након попуштања, крива напона{17}}напрезања погађа плато где се даље напрезање одвија без већег повећања напрезања. Али облик корена конца не дозвољава равномерно попуштање. Прво попушта материјал у корену, а затим се шири зона попуштања. Пластична зона се простире на отприлике 1,5–2,0 мм од корена навоја при 25 Н·м. Након уклањања обртног момента, еластично деформисане зоне покушавају да се опораве, али се пластично деформисана зона не враћа у свој претходни облик. Ова неусклађеност оставља заосталу затезну напетост у корену - полимер се ефективно растеже преко малог полупречника корена. Ниво заосталог напрезања, процењен фотоеластичним методама на провидним узорцима ПФА, износи 4–8 МПа након једног догађаја преко-момента. Само ово заостало напрезање није довољно да изазове ломљење одједном, већ делује као предоптерећење које повећава радна напрезања.

Прелазак са излуђивања на пуцање са термичким циклусом
Као и код многих полукристалних полимера, ПФА развија помаме уместо традиционалних пукотина под умереним затезним напрезањем. Лудост је танка трака снажно оријентисаних полимерних влакана која се протеже преко празнине, обично 1-5 µм у ширину и 50-200 µм у дужину. Луде апсорбују енергију и могу стабилизовати квар за хиљаде циклуса оптерећења. Када се фибриле у лудилу ломе, обично под неком додатном силом или интеракцијом са околином, формирају праве пукотине. У правилно затегнутој прирубници (момент је унутар прописаног опсега), све напуклине настале у коренима навоја остаће стабилне током пројектованог века трајања грејача, пошто је преостала напетост од уградње плус напон термичког циклуса испод прага преласка напрслине-у-прелазне вредности. Два елемента која олакшавају прелазак на ломљење прирубнице са преко{11}окретним моментом су: Прво, заостало напрезање је веће (4-8 МПа наспрам. 1-2 МПа за оптимални обртни момент) што омогућава мању толеранцију пре него што се прекорачи напон од пуцања. Друго, већа пластична зона резултира дужим дефектом који иницира лудницу у корену конца. Фактор интензитета напрезања на врху лудила је пропорционалан квадратном корену дужине лудила, стога дуже почетно лудило захтева мање додатне силе за ширење.

Повећана напетост услед термичког циклуса претвара стабилне лудости у пукотине које се шире. Сваки пут када грејач прелази са амбијенталне на радну температуру (нпр. 25 степени до 90 степени за купатило за кисело нагризање), ПФА прирубница се шири више од металног завртња. То је зато што је коефицијент топлотног ширења ПФА (100–120 ппм/степен) око шест пута већи од нерђајућег челика (17 ппм/степен). Ово диференцијално ширење индукује додатни затезни напон у ПФА који окружује вијак, поред преосталог напрезања при уградњи. За прирубницу од 50 мм и 4 к М8 завртња, повећање температуре од 70 степени доводи до додатног затезног напрезања од 5-7 МПа у ПФА око отвора за вијак. У добро затегнутој прирубници, укупни напон (преостали 1 - 2 МПа + топлотни 5 - 7 МПа) је 6 - 9 МПа, испод прага 10 - 12 МПа за нарушавање-у-прелаз на пукотину за већину ПФА класа. Укупни напон за прирубницу са преко-окретним моментом је 9–15 МПа (преостало 4–8 МПа плус термални 5–7 МПа), што је изнад прелазног прага. После 100-500 термичких циклуса пукотине се развијају из корена навоја и напредују преко дебљине прирубнице у следећим циклусима. За типично{40}}пуцање у зиду је потребно 1.000-3.000 циклуса од почетка прелаза од пукотине до пукотине, у зависности од озбиљности претераног затезања и радне температуре.

Откривање преко{0}}оштећења обртног момента пре раста пукотине
Оштећења изазвана прекомерним{0}}затезањем нису очигледна на површини спољне прирубнице одмах након уградње. Помаме и пластичне деформације су ограничене на рупу за вијак на корену навоја и не могу се открити визуелном инспекцијом. Међутим, постоје три не{3}}деструктивна приступа која могу да открију преко-затегнуте ПФА прирубнице пре него што пукотине стигну до површине. Прва техника је мерење момента задржавања вијка. Уградите прирубницу на наведени обртни момент, означите положај главе завртња у односу на прирубницу, а затим поново-проверите обртни момент након 24 сата на собној температури. ПФА са преко{10}}окретним моментом и претерано-пузајућим ПФА ће изгубити 30–50% почетног обртног момента у року од 24 сата када полимер тече хладно под сталном компресијом. Прирубница правилно затегнута губи само 5-15% оригиналног обртног момента. Ако нема очигледног цурења и губитак обртног момента је већи од 25%, прирубница је вероватно била пре-затегнута у овој инсталацији или раније. Друга опција је да се у отвор за вијке након што је вијак уклони, поставите опциону или оптичку сонду. Под увећањем, корени конца показују избељене мрље, процес који се назива стресно бељење, које су резултат развоја микро{24}}празнина. Прекомерно затегнути корени навоја показују непрекидну белу траку дуж целог корена прва два навоја. Корени правилно затегнути немају избељивање или изоловане мале беле флеке.

Трећа техника је испитивање електричног континуитета када прирубница има уграђену уземљену раван. Ово је уобичајена конфигурација за ПФА грејаче за полупроводничке апликације. Претерано-затезање изазива пукотине или озбиљна пуцања кроз дебљину прирубнице, што омогућава приступ влази у уземљење. Измерите отпор између уземљења и референтне електроде у течности резервоара. Правилно затворена прирубница ће указати на отпор > 1.000 МΩ. Прирубница са преломом који почиње у корену навоја показује 100–500 МΩ. Прирубница за делимичне пукотине кроз зид је 1-100 МΩ. Овај тест се примењује само на прирубнице са непрекидним проводљивим слојем, а не на све-ПФА прирубнице. Метода задржавања обртног момента је најпоузданија теренска дијагностичка метода за све ПФА прирубнице.

Препоруке за ограничење обртног момента и водич за превенцију кварова
Табела испод даје предложене максималне вредности обртног момента за типичне ПФА прирубнице и величине навоја, као и ефекте прекорачења ових ограничења. Вредности су за чист, сув навој без подмазивања (подмазани навоји смањују трење и повећавају предоптерећење за исти обртни момент, стога је потребно смањење обртног момента од 20 - 30 %). Све препоруке су за ПФА на собној температури током инсталације. Вредности обртног момента треба да буду смањене за 15% ако је температура прирубнице изнад 40 степени током уградње.

Прирубница или тип фитинга Величина навоја Препоручени опсег обртног момента (Н·м) Граница обртног момента (Н·м) Последица прекорачења границе Очекивани циклуси до пуцања на граници ПФА-инкапсулирана прирубница, пречник 50 мм М6 4 до 6 10 Умерено преко{{4} губитак напрезања од 5 до 5% обртног момента за 24 сата 500-1.000 циклуса ΔТ=70 степен
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 циклуса
Прирубница обложена ПФА, пречника 100 мм М10 12–16 22 Јака: пластична деформација површине прирубнице, пукотине се развијају на првом навоју 50–200 циклуса
Чврсти ПФА навојни спој (НПТ или БСП) 1/2 инча (ДН15) 3–5 8 Ризик од скидања навоја, пуцање напона у корену навоја у данима 10–50 циклуса (уобичајени тренутни квар)
Чврсти ПФА навојни прикључак 3/4 инча (ДН20) 5-8 12 Пукотина прирубнице, фитинг може да се заглави при завртњу 20-100 циклуса

Спречавање преко{0}}оштећења обртног момента укључује избор алата и обуку.