Miksi PFA-lämmittimen kiinnityslaipan liiallinen kiristäminen{0}}voi johtaa ennenaikaiseen jännityshalkeamiseen kierteen juuressa?

PFA-kapseloidut uppolämmittimet kiinnitetään säiliön seiniin tai kansiin kiinnityslaipoilla,-jotka on tyypillisesti valmistettu PVDF:stä, polypropeenista tai ruostumattomasta teräksestä ja PFA-muotilla. Kun laippa kiristetään, se puristaa tiivisteen säiliön pintaa vasten nestetiiviin tiivisteen aikaansaamiseksi. Asennusohjeissa on annettu vääntömomenttialue kiinnityspulteille, mutta kenttävikoja esiintyy yleensä laipan pultinreikien kierteiden juuressa tai lämmittimen omassa kierreliitoksessa. Nämä halkeamat ilmenevät viikkoja tai kuukausia asennuksen jälkeen, joskus ennen kuin lämmitin on käynyt monta tuntia. Syynä ei ole kemiallinen hyökkäys tai lämpöhajoaminen, vaan mekaaninen ylikuormitus asennuksen aikana. PFA, toisin kuin metallit, osoittaa vahvaa viskoelastista virumaa, eikä sillä ole tarkkaa{7}}määriteltyä myötörajaa. Jos asennuksessa käytetään määritettyä aluetta suurempaa vääntömomenttia, kierteen juurta ympäröivä PFA altistuu paikalliselle kylmävirtaukselle ja tapahtuu pientä säröilyä. Jäljelle jäävän asennusjännityksen ja sitä seuranneen lämpötilan vaihtelun yhteisvaikutuksena nämä hullut kehittyvät täydellisiksi halkeamiksi. Tämän rikkoutumisprosessin parempi ymmärtäminen edellyttää jännityspitoisuuden tutkimista lankojen juurissa ja ajasta{11}}riippuvaa fluoripolymeerien rikkoutumiskäyttäytymistä.

Jännitys keskittyy langan juuriin puristuksen alaisena
Kierreliitos PFA-laipassa tai liittimessä muodostaa luonnollisen jännityksen nostimen kunkin kierteen juuressa terävällä säteellä, jossa kierreprofiili kohtaa pultin varren. Jännityskeskittymiskerroin (Kt) terävän kierteen juuressa metallikierteillä on 2,5 - 4,0, joten paikallinen jännitys on 2,5 - 4,0 kertaa pulttikuormasta saatu nimellisjännitys. PFA:lla, jolla on pienempi moduuli ja parempi sitkeys, on vielä korkeampi tehollinen pitoisuus, koska polymeeri ei voi kuormittaa osuutta paikallisen myönnön kautta yhtä tehokkaasti kuin metalli. PFA-laipan M12-kierteen äärelliselementtitutkimus pultin vääntömomentilla 15 Nm (tyypillinen 50 mm:n laipalle) osoittaa, että pääjännityksen huippu kierteen juuressa on 22-28 MPa verrattuna nimelliseen puristusjännitykseen laipan pinnalla, joka on vain 3-4 MPa. Tämä 6–8-kertainen nimellisjännityskonsentraatio tapahtuu, kun PFA muuttaa muotoaan elastisesti pultin kannan alla ja siirtää voiman ensisijaisesti ensimmäiseen kiinnitettyyn kierteeseen.

Jos asentaja kiristää yli-vääntömomentteja-25 N·m 15 N·m sijasta, huippujännitys kierteen juuressa kasvaa ei-lineaarisesti. PFA alkaa paikallisesti myöntyä noin 12 - 14 MPa:ssa (sen puristusmyötölujuus huoneenlämpötilassa). Myötäytymisen jälkeen jännitys{17}}venymäkäyrä osuu tasangolle, jossa jännitystä tapahtuu lisää ilman, että jännitys lisääntyy. Mutta langan juuren muoto ei salli tasaista tuottoa. Ensin juurella oleva materiaali antaa periksi, ja sitten myötönvyöhyke leviää. Muovivyöhyke ulottuu noin 1,5–2,0 mm kierteen juuresta 25 N·m:n jännitteellä. Vääntömomentin poistamisen jälkeen elastisesti epämuodostuneet vyöhykkeet yrittävät palautua, mutta plastisesti epämuodostunut vyöhyke ei palaa entiseen muotoonsa. Tämä yhteensopimattomuus jättää jäännösvetolujuuden juureen - polymeeriä venytetään tehokkaasti alamittaiselle juuren säteelle. Jäännösjännitystaso, joka on arvioitu fotoelastisilla menetelmillä läpinäkyvistä PFA-näytteistä, on 4–8 MPa yhden yli{23}}momenttitapahtuman jälkeen. Tämä jäännösjännitys ei yksin riitä tuottamaan murtumaa kerralla, vaan toimii esikuormituksena, joka lisää käyttöjännitystä.

Siirtyminen säröilystä krakkaukseen lämpöpyöräilyn avulla
Kuten monien puolikiteisten polymeerien kohdalla, PFA kehittää halkeamia perinteisten halkeamien sijaan vaatimattomassa vetojännityksessä. Villitys on ohut vahvasti orientoituneiden polymeerifibrillien nauha, joka ulottuu tyhjän alueen yli, tyypillisesti 1–5 µm leveä ja 50–200 µm pitkä. Hulluudet imevät energiaa ja voivat vakauttaa vian tuhansien kuormitusjaksojen ajaksi. Kun vimmassa olevat fibrillit katkeavat, yleensä jonkin ylimääräisen voiman tai vuorovaikutuksen alaisena ympäristön kanssa, ne muodostavat todellisia halkeamia. Oikein kiristetyssä laipassa (vääntömomentti on määrätyllä alueella) kierteiden juuriin muodostuneet säröt pysyvät vakaina lämmittimen ennakoidun käyttöiän ajan, koska asennuksesta aiheutuva jäännösjännitys ja lämpösyklin jännitys ovat halkeaman siirtymäkynnyksen alapuolella. Kaksi elementtiä, jotka helpottavat siirtymistä yli-vääntömomentin laipan rikkoutumiseen, ovat: Ensinnäkin jäännösjännitys on suurempi (4-8 MPa vs Toiseksi suurempi muovivyöhyke johtaa pidemmään vikaan, joka käynnistää kiihkon langan juuressa. Jännitysvoimakkuustekijä villityksen kärjessä on verrannollinen villityksen pituuden neliöjuureen, joten pidempi alkuvärähtely vaatii vähemmän ylimääräistä voimaa etenemään.

Lämpökierron aiheuttama lisääntynyt jännitys muuttaa vakaat hullut leviäviksi halkeamiksi. Joka kerta kun lämmitin vaihtaa ympäristön lämpötilasta käyttölämpötilaan (esim. 25 asteesta 90 asteeseen happoetsauskylvyssä), PFA-laippa laajenee enemmän kuin metallipultti. Tämä johtuu siitä, että PFA:n lämpölaajenemiskerroin (100–120 ppm/aste) on noin kuusi kertaa ruostumattoman teräksen lämpölaajenemiskerroin (17 ppm/aste). Tämä differentiaalinen laajeneminen aiheuttaa ylimääräisen vetojännityksen pulttia ympäröivään PFA:han, jäännösasennusjännityksen lisäksi. 50 mm:n laipalle ja 4 x M8-pulteille lämpötilan nousu 70 astetta johtaa 5-7 MPa:n lisävetolujuuteen pultinreiän ympärillä olevassa PFA:ssa. Hyvin kiristetyssä laipassa kokonaisjännitys (jäännös 1 - 2 MPa + lämpö 5 - 7 MPa) on 6 - 9 MPa, alle 10 - 12 MPa-kynnyksen, joka koskee halkeamia-to-siirtymää useimpien PFA-laatujen osalta. Yli-momenttilaipan kokonaisjännitys on 9–15 MPa (jäännösjännitys 4–8 MPa plus lämpö 5–7 MPa), mikä ylittää siirtymäkynnyksen. 100-500 lämpösyklin jälkeen halkeamia kehittyy kierteen juuresta ja ne etenevät laipan paksuuden yli seuraavissa jaksoissa. Tyypillinen läpi-seinän halkeilu vaatii 1 000-3 000 sykliä halkeamaan siirtymisen alusta riippuen ylikiristyksen vakavuudesta ja käyttölämpötilasta.

Yli{0}}vääntömomentin vaurioiden havaitseminen ennen halkeamien kasvua
Liiallisen-kiristyksen aiheuttamat vauriot eivät näy ulkolaipan pinnalla heti asennuksen jälkeen. Halkeamia ja plastisia muodonmuutoksia ei voida havaita silmämääräisellä tarkastuksella. On kuitenkin olemassa kolme ei--tuhoavaa tapaa, jotka voivat havaita yli-kiristetut PFA-laipat ennen kuin halkeamat saavuttavat pinnan. Ensimmäinen tekniikka on pultin vääntömomentin säilymisen mittaus. Asenna laippa määritettyyn vääntömomenttiin, merkitse pultin pään asento laippaan nähden ja tarkista sitten vääntömomentti uudelleen 24 tunnin kuluttua huoneenlämmössä. Yli-kierretty ja liian{11}}viruva PFA menettää 30–50 % alkuperäisestä vääntömomentista 24 tunnin kuluessa, kun polymeeri kylmä virtaa jatkuvan puristuksen alaisena. Oikein kiristetty laippa menettää vain 5-15 % alkuperäisestä vääntömomentista. Jos vuotoa ei ole havaittavissa ja vääntömomenttihäviö on yli 25 %, laippa on luultavasti kiristetty liikaa tässä asennuksessa tai aiemmin. Toinen vaihtoehto on asettaa poraustähtäin tai kuituoptinen anturi pultin reikään pultin irrotuksen jälkeen. Suurennuksen aikana langan tyvissä näkyy vaalennettuja täpliä, jota kutsutaan stressivalkaisuksi. Ne ovat seurausta mikro{24}}tyhjiöiden kehittymisestä. Ylikiristetyissä langan juurissa on jatkuva valkoinen nauha kahden ensimmäisen langan koko juurella. Oikein kiristetyissä juurissa ei ole valkaisua tai yksittäisiä pieniä valkoisia läiskiä.

Kolmas tekniikka on sähköisen jatkuvuuden testaus, kun laipassa on upotettu maataso. Tämä on yleinen konfiguraatio PFA-lämmittimille puolijohdesovelluksiin. Yli-kiristys aiheuttaa halkeamia tai vakavia halkeamia laipan paksuuden läpi, jolloin kosteus pääsee maatasoon. Mittaa resistanssi maatason ja säiliönesteen vertailuelektrodin välillä. Oikein tiivistetty laippa osoittaa > 1000 MΩ resistanssin. Laipassa, jonka murtuma alkaa kierteen juuresta, on 100–500 MΩ. Osittaisen seinän halkeilulaippa on 1-100 MΩ. Tämä testi koskee vain laippoja, joissa on jatkuva johtava kerros, ei kaikkia{15}}PFA-laippoja. Vääntömomentin säilyttämismenetelmä on luotettavin kenttädiagnostiikkamenetelmä täysin PFA-laipoille.

Vääntömomenttiraja-suositukset ja vikojen ehkäisyopas
Alla olevassa taulukossa on ehdotetut maksimivääntömomenttiarvot tyypillisille PFA-laippa- ja kierrekokoille sekä näiden rajoitusten ylittämisen vaikutukset. Arvot koskevat puhdasta, kuivaa kierrettä ilman voitelua (voideltu kierteet vähentävät kitkaa ja lisäävät esijännitystä samalla vääntömomentilla, joten tarvitaan 20 - 30 % vääntömomenttia). Kaikki suositukset koskevat PFA:ta huoneenlämmössä asennuksen aikana. Vääntömomenttiarvoja tulee alentaa 15 %, jos laipan lämpötila on asennuksen aikana yli 40 astetta.

Laippa- tai sovitustyyppi Kierteen kokoSuositeltu vääntömomenttialue (N·m) Vääntömomentin raja (N·m) Rajan ylittymisen seuraus Odotetut syklit halkeilurajalla PFA-kapseloitu laippa, halkaisija 50 mm M6 4 - {{3}, kierre 2-5, jännitys, kohta 5. 35 %:n vääntömomentin menetys 24 tunnissa 500-1 000 sykliä ΔT=70 astetta
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 sykliä
PFA-koteloitu laippa, halkaisija 100 mm M10 12–16 22 Vakava: laipan pinnan plastinen muodonmuutos, halkeamia syntyy ensimmäisellä kierteellä 50–200 kierrosta
Kiinteä PFA-kierreliitos (NPT tai BSP) 1/2 tuumaa (DN15) 3–5 8 Kierteen irtoamisriski, jännityshalkeilu kierteen juuressa 10–50 jaksoissa (välitön vika yleinen)
Kiinteä PFA-kierreliitin 3/4 tuumaa (DN20) 5-8 12 Laipassa halkeama, liitin voi takertua pulttiin 20-100 kierrosta

Yli{0}}vääntömomenttivaurioiden estäminen edellyttää työkalujen valintaa ja koulutusta.