Rachaduras sem ataque químico Compreendendo as rachaduras por estresse ambiental em aquecedores de PTFE

Após 18 meses de uso, um aquecedor de imersão de PTFE em uma solução detergente de pH neutro com surfactantes não{1}}iônicos formou redes de fraturas superficiais finas. As rachaduras estavam principalmente nas bordas externas das curvas em U-e nos locais de montagem do flange onde a bainha tocava os grampos de suporte. Os gráficos de compatibilidade química mostraram que a solução era completamente inerte ao PTFE, as temperaturas operacionais permaneceram abaixo de 110 graus e não houve sintomas de degradação oxidativa ou ataque em massa. Não houve carga mecânica significativa durante a operação. Mas a integridade da bainha quebrou exatamente onde havia muita tensão residual de tração. Esse padrão acontece muito com engenheiros de materiais e confiabilidade, e eles precisam aprender como impedir que ocorram fissuras por estresse ambiental em sistemas de aquecedores de PTFE.

A fissuração por tensão ambiental (ESC) ocorre quando pequenas quantidades de tensão de tração interagem com certas condições químicas para iniciar e espalhar fraturas. Nenhum fator sozinho causa danos. O PTFE, como todos os polímeros semicristalinos, é muito resistente à pura sobrecarga mecânica e ao ataque químico quando cada um atua por conta própria. Mas quando alguns fluidos são misturados, eles podem atuar como agentes-de estresse. Estes agentes não decompõem ou dissolvem de forma alguma a matriz polimérica a granel. Em vez disso, eles tornam as áreas amorfas nas pontas das fissuras mais flexíveis, o que reduz as pressões intermoleculares e a energia necessária para o deslizamento da cadeia e a coalescência de micro{6}}vazios. Portanto, a propagação de trincas ocorre quando as tensões são muito inferiores à resistência ao escoamento à tração de curto prazo do material, o que geralmente é causado apenas pela fabricação ou instalação.


Os surfactantes, especialmente as formas não{0}}iônicas e aniônicas etoxiladas encontradas em soluções de limpeza e aditivos de processo, são agentes comuns de quebra de tensão-para fluoropolímeros. Em altas temperaturas, alguns solventes orgânicos, como álcoois, cetonas ou hidrocarbonetos aromáticos, agem da mesma maneira. Certos aditivos de processo, como aminas e agentes umectantes fluorados, podem causar ESC. Testes em laboratório revelam que a interação é real: amostras de PTFE que estiveram na água durante anos não mostram alterações, mas amostras que estiveram na água com carga de tração controlada mostram rachaduras em semanas. O fenômeno depende exclusivamente da exposição simultânea ao estresse e à droga.

A morfologia da fissura fornece indicadores diagnósticos distintos. O ESC gera fissuras pequenas, muitas vezes ramificadas, que seguem as direções da tensão de maior tensão. Nas bainhas de aquecimento de PTFE, essas rachaduras começam na parte externa das dobras produzidas, onde os processos de conformação-a frio retêm a tensão mais residual. Outros locais onde podem ocorrer tensões localizadas são os flanges fixados e as zonas de contato de suporte, onde o torque de instalação ou a expansão térmica podem causar isso. Quando observadas usando um microscópio óptico ou eletrônico de varredura, as superfícies de fratura parecem bastante lisas com arrancamento fibrilar-. Eles não apresentam corrosão, branqueamento ou perda de material que ocorre durante o ataque oxidativo. O desbaste da parede não importa muito, a menos que muitas rachaduras se conectem e deixem a água passar.

Para impedir a fissuração por estresse ambiental, é necessário otimizar o projeto mecânico e fazer triagem química. O primeiro passo para reduzir a tensão residual é garantir que o aquecedor tenha o formato correto. Por exemplo, especificar raios de curvatura maiores-pelo menos três vezes o diâmetro da bainha-reduz bastante as tensões de tração de pico em comparação com os raios mínimos de 1,5× que são comumente usados ​​para serviços de baixa-tensão. O recozimento-com alívio de tensões após a conformação e antes do envio elimina as tensões de produção que ficam presas no local. Os procedimentos de instalação devem minimizar-a fixação excessiva ou bordas de contato afiadas; suportes contínuos e alças de expansão ajudam a espalhar ainda mais a tensão. Na verdade, as rachaduras ESC geralmente aparecem em aquecedores que foram dobrados com muita força antes da instalação. Isso aumenta a tensão residual, que um ambiente químico suave pode usar.

Para fluidos, os padrões de confiabilidade dizem que você deve encontrar prováveis ​​agentes-de estresse avaliando amostras estressadas em vez de usar tabelas de compatibilidade típicas. Como o ESC requer carga mecânica simultânea, os gráficos gerais geralmente não falam sobre o risco. Os dados necessários vêm de testes de imersão direcionados feitos na temperatura, concentração e raios de curvatura corretos. Quando são encontrados agentes, uma forma popular de detê-los é usar aquecedores com raios de curvatura maiores e garantir que estejam adequadamente apoiados para reduzir as concentrações de tensão mecânica em todo o comprimento do elemento.

A fissuração por tensão ambiental é um verdadeiro modo de falha em aquecedores de PTFE, mas pode ser evitado. Requer exame simultâneo de fatores mecânicos e químicos, em vez de avaliação separada de cada um. Depois que as restrições gerais de compatibilidade e temperatura forem atendidas, a tensão residual, a propagação de trincas, os agentes-de fissuração por tensão e o raio de curvatura tornam-se os fatores de projeto mais importantes. Para processos que podem envolver agentes de quebra de tensão, conversar com o fabricante do aquecedor sobre tipos de materiais especializados, como copolímeros de PTFE modificados feitos para serem mais resistentes, ou recursos de design personalizados, como mangas de alívio de tensão-incorporadas-, pode adicionar margens de segurança extras. Ao abordar cuidadosamente ambos os contribuintes para a fissuração por tensão ambiental, os engenheiros de materiais e de confiabilidade transformam um mecanismo de falha anteriormente confuso em uma parte totalmente controlada da especificação e da vida útil do aquecedor de PTFE.