Kiekvienas PFA{0}}kapsuliuotas panardinamasis šildytuvas turi metalinę kaitinimo šerdį-, dažniausiai Incoloy 825, titano arba nerūdijančio plieno 316-, apsuptą PFA sluoksniu, kuris yra išspaudžiamas tiesiai ant metalo arba padengiamas kaip šiluma{18}}sutraukiamas tarpinis vamzdelis. Šis jungiamasis sluoksnis, kurio storis daugumoje komercinių šildytuvų yra tik 0,05–0,20 mm, atlieka dvi svarbias funkcijas: perduoda šilumą iš metalinės šerdies į išorinį PFA apvalkalą ir apsaugo nuo delaminacijos, kuri leistų patekti drėgmei ir elektros nutekėjimui. PFA (100–120 ppm/laipsnis) ir metalinės šerdies (14–18 ppm/laipsnis) šiluminio plėtimosi koeficientai (CTE) skiriasi maždaug šešis kartus. Per kiekvieną šildymo ciklą nuo aplinkos iki darbinės temperatūros (pvz., nuo 25 laipsnių iki 150 laipsnių aukštos temperatūros rūgštinėse voniose) PFA bando išsiplėsti 0,8–1,2 % daugiau nei metalinė šerdis per 30 cm ilgį. Dėl šio diferencinio išsiplėtimo susidaro ciklinis šlyties įtempis PFA{25}}metalinėje sąsajoje, koncentruojamas surištos srities galuose. Jungiamasis sluoksnis -paprastai yra modifikuotas fluoropolimeras arba silanas -pagrindinis sukibimo skatintuvas – turi prisitaikyti prie šio ciklinio šlyties įtempio, nesukeldamas rišlumo ar sukibimo trūkumo. Pakartotinis terminis ciklas laipsniškai suardo rišamąjį sluoksnį dėl nuovargio mechanizmų, galiausiai sukelia vietinį delaminaciją ir priešlaikinį šildytuvo gedimą.
Šlyties įtempių kūrimas klijavimo sąsajoje iš CTE Mismatch
Šiluminio plėtimosi neatitikimas sukuria ne vienodą įtempių lauką, o labai lokalizuotą, susikaupusį surištos srities galuose. Apsvarstykite šildytuvą, kurio metalinės šerdies ilgis yra 50 cm, visiškai uždengtą PFA. Kaitinamas nuo 25 laipsnių iki 150 laipsnių, laisvas (nesusirišęs) PFA pailgėtų maždaug 0,125 mm vienam ilgio cm (CTE 110 ppm/laipsnis × 125 laipsnis=0.01375 mm/cm), iš viso 0,69 mm per 50 cm. Laisva metalinė šerdis pailgėtų 0,020 mm/cm (CTE 16 ppm/laipsnis × 125 laipsnis=0.002 mm/cm), iš viso 0,10 mm per 50 cm. Skirtumas 0,59 mm turi būti pritaikytas jungiamojo sluoksnio šlyties deformacijai. Visą 50 cm ilgio rišamąjį sluoksnį vidutinė šlyties deformacija būtų tik 0,59 mm / 50 cm=0.0012 (0,12 %), o tai yra nereikšminga. Tačiau jungiamasis sluoksnis nedeformuojasi tolygiai per visą ilgį. Sujungtos srities centre PFA ir metalas yra priversti judėti kartu, todėl santykinis poslinkis yra lygus nuliui. Sukibimo srities galuose visas 0,59 mm diferencinis plėtimasis turi būti nedideliu atstumu -paprastai 2–5 mm nuo sujungimo galo. Tai sukuria šlyties deformacijos koncentracijos koeficientą, 50–100 kartų didesnį už vidutinę deformaciją. Įprasto PFA{37}}ant-metalinio šildytuvo su 0,10 mm storio jungiamuoju sluoksniu baigtinių elementų modeliavimas numato didžiausią 15–25 % šlyties įtempimą jungties galuose, kai temperatūra pakils 125 laipsnių.
15–25 % šlyties įtempis rišamajame sluoksnyje atitinka 3–6 MPa šlyties įtempį daugeliui modifikuotų fluorpolimerinių klijų, atsižvelgiant į jų šlyties modulį (apie 20–30 MPa guminėje būsenoje virš stiklėjimo temperatūros). Šis įtempių lygis yra mažesnis už šviežiai užtepto jungiamojo sluoksnio ribinį šlyties stiprumą (paprastai 8–12 MPa). Vieno terminio ciklo metu rišantis sluoksnis išlieka. Tačiau kiekvienas ciklas pakartotinai taiko tą patį didžiausią šlyties įtempį ir sukelia nuovargio pažeidimus. Sukibimo sluoksnio nuovargio trukmė priklauso nuo galios dėsnio: N_f=A × (σ_shear)^(-b), kur b paprastai svyruoja nuo 5 iki 8 fluoropolimeriniams klijams. 5 MPa įtempis gali sukelti gedimą per 10 000 ciklų, o 3 MPa įtempis gali pailginti gyvenimą ilgiau nei 50 000 ciklų. Praktinė pasekmė yra ta, kad šildytuvai, veikiantys su 125 laipsnių temperatūros svyravimu (pvz., nuo 25 laipsnių iki 150 laipsnių), jungiamojo sluoksnio nuovargio trukmė yra 5 000–15 000 ciklų, o šildytuvai su 60 laipsnių svyravimu (pvz., nuo 30 laipsnių iki 90 laipsnių) pasiekia 40 000–10 000 ciklų.
Delaminacijos plitimo mechanizmai ir aptikimas
Kai nuovargio pažeidimai prasideda jungties galuose, delaminacija plinta į vidų išilgai sąsajos dviem mechanizmais. Pirmasis mechanizmas yra ciklinis šlyties nuovargis. Kiekvienas terminis ciklas taiko tą patį šlyties įtempių pasiskirstymą, padidindamas plyšio priekį 10–50 µm per ciklą, priklausomai nuo įtempio intensyvumo koeficiento įtrūkimo antgalie. Ilgėjant delaminacijai, surišimo ilgis sutrumpėja, o šlyties įtempis prie naujo plyšio galo didėja, nes tas pats bendras diferencinis poslinkis turi būti pritaikytas per trumpesnį likusį jungties ilgį. Šis teigiamas grįžtamasis ryšys pagreitina plitimą: delaminacija, kuri išaugo iki 10 % viso jungties ilgio, patiria plyšio galiuko šlyties įtempimus 10–20 % didesnius nei pradinis jungties galas, todėl jis plinta greičiau. Antrasis mechanizmas yra aplinkos ataka. Rūgštinėse voniose, šarminiuose valymo tirpaluose ar drėgnoje chloro aplinkoje{12}}agresyvi terpė kapiliariniu būdu patenka į sluoksniavimosi tarpą. Cheminės medžiagos paveikia arba tiesiogiai jungiamąjį sluoksnį, arba metalinį šerdies paviršių, paversdamos sluoksniavimąsi iš grynai mechaninio nuovargio įtrūkimo į įtrūkimą, susijusį su korozija. Puslaidininkinių šlapių stendų PFA šildytuvų lauko gedimų analizė rodo, kad 70% delaminacijos gedimų įvyksta surišimo galuose, veikiamuose proceso skysčio, o tik 30% įvyksta sausame (viršutiniame) jungties gale virš skysčio linijos, o tai rodo, kad aplinkos pašalinimas pagreitina plitimą 3–5 kartus.
Norint aptikti jungiamojo sluoksnio atsisluoksniavimą prieš katastrofišką gedimą, reikia periodiškai atlikti elektrinius bandymus. Visiškai sujungtas PFA šildytuvas su nepažeista PFA rodo talpą tarp metalinės šerdies ir įžeminimo elektrodo, esančio už apvalkalo, kuris laikui bėgant išlieka stabilus. Vykstant delaminacijai, sąsajoje susidaro oro tarpas. Oro dielektrinė konstanta yra maždaug 1,0, palyginti su 2,1 PFA. Taigi atskilusi sritis atrodo kaip mažesnės -talpos skyrius. Išmatuokite talpą išilgai šildytuvo ilgio naudodami segmentuotą išorinį elektrodą arba perkeldami vieną elektrodo spaustuką. Jei talpos pokytis tarp gretimų 5 cm segmentų viršija 15 %, tai rodo lokalizuotą delaminaciją. Jei naudojate šildytuvus su įžeminimo plokšte, įterpta į PFA apvalkalą (įprasta saugos{12}}projektuose), išmatuokite izoliacijos varžą tarp metalinės šerdies ir įžeminimo plokštės. Pradinės 100–500 MΩ vertės, nukritusios iki 10–50 MΩ per 6–12 mėnesių, rodo laipsnišką delaminaciją su drėgmės patekimu į tarpą.
Klijavimo sluoksnio dizaino variantai ir jų nuovargis
Ne visi PFA{0}}su -metalų sujungimo metodai veikia vienodai terminio ciklo metu. Egzistuoja keturi įprasti statybos būdai, kurių kiekvienas skirtingai reaguoja į CTE neatitikimo įtampą. Pirmuoju ir labiausiai nuovargiui{4}}atspariu metodu naudojama chemiškai išgraviruota metalinė šerdis su modifikuoto PFA, turinčio reaktyviųjų grupių (maleino anhidrido ar panašių jungiamųjų medžiagų), grunto sluoksniu. Gruntas chemiškai susijungia su metalo oksido sluoksniu, sukurdamas kovalentinę sąsają, o ne grynai lipnią. Ši konstrukcija užtikrina jungiamojo sluoksnio šlyties nuovargio trukmę 50 000–100 000 ciklų esant ΔT=100 laipsniui. Antruoju metodu naudojamas mechaninis blokavimas: metalinė šerdis šiurkštinama smėliasrove (Ra=3–5 µm), o PFA išspaudžiama tiesiai ant grubaus paviršiaus be atskirų klijų. PFA patenka į paviršiaus nelygumus ir sukuria mechaninį užraktą. Šis metodas užtikrina 20 000–40 000 ciklų nuovargio eksploatavimo trukmę, bet sugenda dėl kitokio mechanizmo-PFA ištraukiamas iš nešvarumų, o ne surišimo sluoksnis sugenda darniai. Taikant trečiąjį metodą, naudojamas termiškai-susitraukiantis PFA vamzdis ant lygios metalinės šerdies be paviršiaus apdorojimo, o tai priklauso nuo lanko suspaudimo dėl susitraukimo. Šis metodas prastai veikia terminio ciklo metu, nes lanko įtempis atsipalaiduoja dėl šliaužimo aukštesnėje temperatūroje. Esant ΔT=80 laipsniui, nuovargio trukmė paprastai nukrenta žemiau 5 000 ciklų. Ketvirtasis metodas naudoja atskirą fluorosilikono arba FEP lipnų sluoksnį tarp metalo ir PFA. Nors šie klijai yra lankstūs (mažo modulio), jie turi prastą cheminį atsparumą ir brinksta daugelyje rūgščių, todėl klijų sluoksnis gali greitai sutrūkti. Nuovargio tarnavimo laikas labai įvairus, svyruoja nuo 2 000 iki 15 000 ciklų, priklausomai nuo konkrečios klijų chemijos.
Šiluminio ciklo tolerancija pagal klijavimo metodą ir taikymo sunkumą
Toliau pateiktoje lentelėje pateikiamas apskaičiuotas jungiamojo sluoksnio nuovargio laikas kiekvienam konstravimo būdui, atsižvelgiant į terminio ciklo dydį (ΔT), maksimalią darbinę temperatūrą ir cheminės aplinkos sunkumą. Vertės gautos pagreitinus 200 keturių gamintojų šildytuvo pavyzdžių bandymus ir daroma prielaida, kad minimalus PFA sienelės storis yra 1,5 mm.
| Klijavimo konstrukcijos metodas | Didžiausia ΔT cikle ( laipsnis ) | Didžiausia darbinė temperatūra ( laipsniai ) | Cheminė aplinka | Numatomas nuovargio laikas (ciklai iki 50 % sukibimo ploto praradimo) | Gedimo režimo charakteristika |
|---|---|---|---|---|---|
| Chemiškai išgraviruotas metalas + reaktyvus PFA gruntas | 120 | 150 | Nuo neutralaus iki silpnai rūgštinio (pH 3–9) | 80,000–120,000 | Laipsniškas jungties galo šliaužimas; jokio staigaus delaminacijos |
| Chemiškai išgraviruotas metalas + reaktyvus PFA gruntas | 80 | 120 | Stipri rūgštis (pH 0–2) | 40,000–60,000 | Sudrėkintame gale plinta korozija- |
| Smėliasrove padengta metalinė šerdis, tiesioginė PFA ekstruzija (mechaninis blokavimas) | 100 | 140 | Bet koks (ne{0}}pučiantis) | 25,000–45,000 | Ištraukti iš asperities-; PFA fibriliacija lūžio paviršiuje |
| Smėliuota metalinė šerdis, tiesioginė PFA ekstruzija | 60 | 100 | Strong base (pH >12) | 15,000–25,000 | PFA{0}}metalo sąsajos šarminė hidrolizė |
| Nuo karščio-susitraukiantis PFA vamzdis, lygi metalinė šerdis | 80 | 120 | Lengvas (pH 5–9) | 3,000–8,000 | Greitas delaminavimas iš centro į išorę; lanko streso atsipalaidavimas |
| Nuo karščio-susitraukiantis PFA vamzdis, lygi metalinė šerdis | 50 | 90 | Bet koks | 5,000–12,000 | Delaminacija prasideda jungties pabaigoje per 500 ciklų |
| Atskiras FEP arba fluorosilikono lipnus sluoksnis | 70 | 130 | Neutralus (pH 7) | 8,000–18,000 | Darnus plyšimas lipniame sluoksnyje; matomas patinimas |
| Atskiras lipnus sluoksnis, bet koks būdas | 40 | 100 | Agresyvus organinis tirpiklis | 500–2,000 | Klijų tirpimas arba stiprus patinimas; greitas gedimas |
| Dviejų{0}}sluoksnių sujungimas: išgraviruotas metalas + gruntas + FEP pagalvėlės sluoksnis + PFA | 130 | 180 | Stipri rūgštis (pH 0–2) | 50,000–80,000 | Pagalvėlės sluoksnis sumažina didžiausią šlyties įtempimą; brangi statyba pagal užsakymą |
Dizaino pakeitimai, skirti sumažinti CTE neatitikimo įtampą
Kai reikalingas šiluminio ciklo dydis viršija jungiamojo sluoksnio nuovargio galimybes, keturios konstrukcijos modifikacijos gali sumažinti ciklinį šlyties įtempį. Pirmojoje modifikacijoje naudojama metalinė šerdis su CTE arčiau PFA. Nors joks paprastasis metalas neatitinka PFA 110 ppm/laipsnio, aliuminis (CTE 23 ppm/laipsnis) sumažina CTE skirtumą 40 %, palyginti su nerūdijančiu plienu (CTE 17 ppm/laipsniu). Tačiau aliuminis greitai korozuojasi daugelyje rūgščių, todėl prieš naudojant PFA metalinę šerdį reikia padengti plona apsaugine danga. Antroji modifikacija sutrumpina ištisinį surišimo ilgį. 50 cm šildytuvo diferencinis išsiplėtimas yra 0,59 mm. 25 cm šildytuvo diferencialas sumažėja iki 0,30 mm, proporcingai sumažinant šlyties įtempimą jungties galuose. Giliuose rezervuaruose, kuriems reikia ilgų šildytuvų, naudokite kelis trumpesnius sujungtus segmentus, atskirtus neatremiamais tarpais, o ne vieną ištisinį surištą ilgį. Trečioji modifikacija prideda reikalavimus atitinkantį sluoksnį tarp metalinės šerdies ir standaus PFA apvalkalo. Plonas (0,2–0,5 mm) silikoninės gumos arba fluorosilikono sluoksnis, kurio šlyties modulis yra 1–3 MPa (palyginti su 20–30 MPa PFA), prisitaiko prie diferencinio plėtimosi per elastingą suspaudimą, o ne perduoda šlyties įtempį į sujungimo sąsają. Šis pagalvėlės sluoksnis prailgina nuovargio naudojimo laiką 3–5 kartus, tačiau padidina gamybos sudėtingumą ir šiek tiek sumažina bendrą šilumos perdavimą (5–10 %). Ketvirta modifikacija suspaudžia šildytuvą abiejuose galuose, neleidžiant PFA laisvai plėstis. Tai paverčia diferencinio plėtimosi problemą nuo šlyties jungties galuose į gniuždymo įtempį pačiame PFA. PFA, būdamas plastiškas polimeras, gali atlaikyti 1–2 % gniuždymo deformaciją nepažeisdamas. Galinės-užspaudimo konstrukcijos reikalauja tvirtų galinių sandariklių, kad PFA nesulinktų, tačiau jie visiškai pašalina jungiamojo sluoksnio nuovargį, todėl terminis ciklas trunka iš esmės neribotą laiką.
Išvada: klijavimo sluoksnio vientisumas apibrėžia šildytuvo tarnavimo laiką važiuojant dviračiu
Šiluminio plėtimosi neatitikimas tarp PFA ir jo vidinės metalinės šerdies sukuria ciklinį šlyties įtempį, susitelkiantį surištos srities galuose kiekvieno šildymo ir aušinimo ciklo metu. Sukibimo sluoksnio nuovargio eksploatavimo trukmė esant tokiai įtampai lemia šildytuvo ilgaamžiškumą, kai naudojami dažni terminiai ciklai. Chemiškai išgraviruotos metalinės šerdys su reaktyviais grunto sluoksniais pasiekia 40 000–120 000 ciklų, tinkančių daugeliui pramoninių procesų. Paprastesnės termiškai{7}}susitraukiančių vamzdžių konstrukcijos be cheminio sujungimo sugenda per 3 000–12 000 ciklų, todėl jos netinkamos bet kokiam naudojimui su kasdieniais terminiais ciklais. Inžinieriai, nurodantys PFA šildytuvus termocikliniam aptarnavimui, turi pareikalauti iš gamintojo surišimo metodo dokumentų. Pardavėjas, negalintis apibūdinti, ar metalinė šerdis yra išgraviruota, gruntuota ar tik grublėta, greičiausiai naudoja mažesnę{14}}nuovargio konstrukciją. Reikalingiausioms reikmėms-karštos rūgšties vonios, kurios cikliškai veikia du kartus per dieną dešimt metų (7 300 ciklų),-tik chemiškai išgraviruotas sujungimas su reaktyviu gruntu arba dviejų{20}}sluoksnių pagalvėlės konstrukcija užtikrina pakankamą nuovargio ribą. Papildomos tinkamo jungiamojo sluoksnio sąnaudos paprastai sudaro 15–25 % šildytuvo kainos, tai yra nedidelė priemoka už terminio ciklo eksploatavimo tarnavimo laiką nuo mėnesių iki metų.
