Por que o-aperto excessivo do flange de montagem do aquecedor PFA pode causar rachaduras por tensão prematura na raiz da rosca?

Os-aquecedores de imersão encapsulados em PFA são fixados nas paredes ou tampas do tanque usando flanges de montagem-normalmente construídos em PVDF, polipropileno ou aço inoxidável com sobremoldagem de PFA. Quando o flange é apertado, ele comprime uma junta contra a superfície do tanque para formar uma vedação estanque a líquidos. As instruções de instalação fornecem uma faixa de torque para os parafusos de montagem, no entanto, falhas de campo geralmente ocorrem na raiz das roscas nos orifícios dos parafusos do flange ou na própria conexão roscada do aquecedor. Essas fissuras ocorrem semanas ou meses após a instalação, às vezes antes de o aquecedor ter funcionado por muitas horas. A causa não é um ataque químico ou uma degradação térmica, mas um esforço mecânico excessivo durante a instalação do . O PFA, diferentemente dos metais, apresenta forte fluência viscoelástica e nenhum ponto de escoamento bem -definido. Se uma instalação usar um torque maior que a faixa especificada, o PFA ao redor da raiz da rosca estará sujeito a um fluxo frio localizado e ocorrerão pequenas fissuras. Sob os efeitos combinados da tensão residual da instalação e do subsequente ciclo de temperatura, estas fissuras transformam-se em fissuras completas. Uma melhor compreensão desse processo de falha envolve a investigação da concentração de tensão nas raízes do thread e do comportamento de falha{11}}dependente do tempo dos fluoropolímeros.

Concentração de tensão nas raízes do fio sob compressão
Uma junção roscada em um flange ou acessório PFA apresenta um gerador de tensão natural na raiz de cada rosca, no raio agudo onde o perfil da rosca encontra a haste do parafuso. O fator de concentração de tensão (Kt) na raiz da rosca afiada para roscas metálicas é de 2,5 a 4,0, de modo que a tensão local é de 2,5 a 4,0 vezes a tensão nominal derivada da carga do parafuso. O PFA, tendo módulo mais baixo e melhor ductilidade, tem concentração efetiva ainda maior, uma vez que o polímero não consegue compartilhar a carga através do escoamento localizado de forma tão eficaz quanto o metal. O estudo de elementos finitos de uma rosca M12 em um flange PFA com um torque de parafuso de 15 Nm (típico para um flange de 50 mm) indica um pico de tensão principal na raiz da rosca de 22-28 MPa em comparação com uma tensão de compressão nominal na face do flange de apenas 3-4 MPa. Esta concentração de tensão de 6 a 8 vezes a nominal ocorre à medida que o PFA se deforma elasticamente sob a cabeça do parafuso e transfere preferencialmente a força para a primeira rosca engatada.

Se um instalador exceder-torques-de 25 N·m em vez de 15 N·m, o pico de tensão na raiz da rosca aumenta de forma não-linear. O PFA começa a ceder localmente em aproximadamente 12 a 14 MPa (sua resistência ao escoamento à compressão à temperatura ambiente). Após o escoamento, a curva de tensão-deformação atinge um patamar onde ocorre mais deformação sem muito aumento na tensão. Mas o formato da raiz do fio não permite um escoamento uniforme. Primeiro, o material na raiz cede e depois a zona de escoamento se espalha. A zona plástica se estende por aproximadamente 1,5–2,0 mm da raiz da rosca a 25 N·m. Após a remoção do torque, as zonas elasticamente deformadas tentam se recuperar, mas a zona plasticamente deformada não retorna à sua forma anterior. Essa incompatibilidade deixa uma tensão de tração residual na raiz - o polímero é efetivamente esticado sobre um raio de raiz subdimensionado. O nível de tensão residual, avaliado por métodos fotoelásticos em amostras de PFA transparentes, é de 4 a 8 MPa após um evento de sobre-torque. Esta tensão residual por si só não é suficiente para produzir a ruptura imediata, mas atua como uma pré-carga que aumenta as tensões operacionais.

Transição de fissuras para rachaduras com ciclagem térmica
Tal como acontece com muitos polímeros semicristalinos, o PFA desenvolve fissuras em vez das fissuras tradicionais sob modestas tensões de tração. Uma mania é uma faixa fina de fibrilas poliméricas fortemente orientadas que se estende por uma região vazia, normalmente com 1–5 µm de largura e 50–200 µm de comprimento. As manias absorvem energia e podem estabilizar uma falha durante milhares de ciclos de carga. Quando as fibrilas se rompem no frenesi, geralmente sob alguma força extra ou interação com o ambiente, elas formam verdadeiras rachaduras. Em um flange com torque correto (o torque está dentro da faixa prescrita), quaisquer fissuras formadas nas raízes das roscas permanecerão estáveis ​​durante a vida útil projetada do aquecedor, já que a tensão residual da instalação mais a tensão do ciclo térmico está abaixo do limite de transição de fissura-para-fissura. Os dois elementos que facilitam a transição para a ruptura de um flange com torque excessivo são: Primeiro, a tensão residual é maior (4-8 MPa versus . 1-2 MPa para torque ideal), permitindo menos tolerância antes que a tensão de fissuração seja excedida. Segundo, a zona plástica maior resulta em um defeito mais longo que inicia o frenesi na raiz do fio. O fator de intensidade de tensão na ponta da fissura é proporcional à raiz quadrada do comprimento da fissura, portanto, uma fissura inicial mais longa requer menos força extra para se propagar.

O aumento da tensão devido à ciclagem térmica transforma fissuras estáveis ​​em fissuras de propagação. Cada vez que o aquecedor passa da temperatura ambiente para a temperatura operacional (por exemplo, 25 graus a 90 graus para um banho de ataque ácido), o flange PFA se expande mais do que o parafuso de metal. Isso ocorre porque o coeficiente de expansão térmica do PFA (100–120 ppm/grau) é cerca de seis vezes maior que o do aço inoxidável (17 ppm/grau). Esta expansão diferencial induz uma tensão de tração extra no PFA que envolve o parafuso, além da tensão residual de instalação. Para flange de 50 mm e parafusos 4 x M8, um aumento de temperatura de 70 graus resulta em uma tensão de tração adicional de 5-7 MPa no PFA ao redor do furo do parafuso. Em um flange bem torcido, a tensão geral (1 - 2 MPa residual + 5 - 7 MPa térmico) é de 6 - 9 MPa, abaixo do limite de 10 - 12 MPa para transição de fissura-para-fissura para a maioria dos graus de PFA. A tensão total para um flange com torque excessivo é de 9–15 MPa (4–8 MPa residual mais 5–7 MPa térmico), que está acima do limite de transição. Após 100-500 ciclos térmicos, rachaduras se desenvolvem a partir da raiz da rosca e progridem através da espessura do flange nos próximos ciclos. A fissuração típica-da parede precisa de 1.000-3.000 ciclos desde o início da transição entre fissura e fissura, dependendo da gravidade do torque excessivo e da temperatura operacional.

Detectando danos por excesso de{0}torque antes do crescimento de rachaduras
Os danos causados ​​pelo-torque excessivo não são óbvios na superfície do flange externo imediatamente após a instalação. As fissuras e deformações plásticas estão limitadas ao furo do parafuso na raiz da rosca e não são detectáveis ​​pela inspeção visual. No entanto, existem três abordagens não{3}}destrutivas que podem detectar flanges PFA com torque excessivo antes que as trincas atinjam a superfície. A primeira técnica é a medição da retenção de torque do parafuso. Instale o flange com o torque especificado, marque a posição da cabeça do parafuso em relação ao flange e-verifique novamente o torque após 24 horas em temperatura ambiente. O PFA com-torque excessivo e excessivamente{11}}deslocado perderá de 30 a 50% do torque inicial dentro de 24 horas quando o polímero flui a frio sob compressão sustentada. O flange com torque adequado perde apenas 5-15% do torque original. Se não houver vazamento aparente e a perda de torque for superior a 25%, o flange provavelmente sofreu torque excessivo nesta instalação ou antes. A segunda opção é colocar um endoscópio ou uma sonda de fibra óptica no orifício do parafuso após o parafuso ter sido removido. Sob ampliação, as raízes do fio mostram manchas esbranquiçadas, um processo chamado branqueamento por estresse, que é o resultado do desenvolvimento de micro-vazios. As raízes da rosca com torque excessivo exibem uma faixa branca contínua ao longo de toda a raiz das duas primeiras roscas. Raízes torcidas corretamente não apresentam branqueamento ou pequenas manchas brancas isoladas.

A terceira técnica é o teste de continuidade elétrica quando o flange possui um plano de aterramento incorporado. Esta é uma configuração comum para aquecedores PFA para aplicações de semicondutores. O torque excessivo-causa rachaduras ou fissuras graves na espessura do flange, permitindo o acesso de umidade ao plano de aterramento. Meça a resistência entre o plano de terra e um eletrodo de referência no líquido do tanque. Um flange devidamente vedado indicará uma resistência > 1.000 MΩ. Um flange com uma fratura começando na raiz da rosca apresenta 100–500 MΩ. O flange de fissuração parcial da parede é de 1-100 MΩ. Este teste se aplica apenas a flanges com uma camada condutora contínua e não a todos-flanges PFA. O método de retenção de torque é o método de diagnóstico de campo mais confiável para flanges totalmente PFA.

Recomendações de limite de torque e guia de prevenção de falhas
A tabela abaixo fornece valores de torque máximo sugeridos para tamanhos típicos de flange e rosca PFA e os efeitos de exceder essas limitações. Os valores são para uma rosca limpa e seca sem lubrificação (as roscas lubrificadas reduzem o atrito e aumentam a pré-carga para o mesmo torque, portanto, é necessária uma redução de 20 - 30% de torque). Todas as recomendações são para PFA à temperatura ambiente durante a instalação. Os valores de torque devem ser reduzidos em 15% se a temperatura do flange estiver acima de 40 graus durante a instalação.

Flange ou tipo de conexão Tamanho da rosca Faixa de torque recomendada (N·m) Limite de torque (N·m) Consequência de exceder o limite Ciclos esperados até a trinca no limite-Flange encapsulado em PFA, 50 mm de diâmetro M6 4 a 6 10 Torque excessivo- moderado: branqueamento de tensão na raiz da rosca, perda de torque de 25 a 35% em 24 horas 500-1.000 ciclos ΔT=70 grau
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40% 200-500 ciclos
Flange encapsulado em PFA, diâmetro 100 mm M10 12–16 22 Grave: deformação plástica da face do flange, rachaduras se desenvolvem na primeira rosca 50–200 ciclos
Conexão roscada PFA sólida (NPT ou BSP) 1/2 polegada (DN15) 3–5 8 Risco de desgaste da rosca, rachaduras por tensão na raiz da rosca nos dias 10–50 ciclos (falha imediata comum)
Conexão roscada PFA sólida de 3/4 pol. (DN20) 5-8 12 Rachadura no flange, a conexão pode emperrar no parafuso 20-100 ciclos

A prevenção de danos por excesso de{0}torque envolve seleção e treinamento de ferramentas.