Har bir PFA{0}}kapsullangan immersion isitgichda metall isitish yadrosi-odatda Incoloy 825, titanium yoki zanglamaydigan po'lat 316-bo'lib, u to'g'ridan-to'g'ri metallga siqib chiqariladi yoki issiqlik{18}}qisqaruvchi trubka bilan surtiladi. Ko'pgina tijorat isitgichlarida qalinligi atigi 0,05-0,20 mm bo'lgan bu biriktiruvchi qatlam ikkita muhim funktsiyani bajaradi: u issiqlikni metall yadrodan tashqi PFA qobig'iga o'tkazadi va namlikning kirib borishi va elektr oqishiga yo'l qo'yadigan delaminatsiyani oldini oladi. PFA (100-120 ppm / daraja) va metall yadro (14-18 ppm / daraja) uchun termal kengayish koeffitsientlari (CTE) taxminan olti marta farq qiladi. Atrof muhitdan ish haroratigacha bo'lgan har bir isitish davri davomida (masalan, yuqori haroratli kislotali vannalar uchun 25 darajadan 150 darajagacha) PFA 30 sm uzunlikdagi metall yadrodan 0,8-1,2% ko'proq kengaytirishga harakat qiladi. Bu differensial kengayish PFA{25}}metall interfeysida bog‘langan hududning uchlarida to‘plangan siklik kesish kuchlanishini hosil qiladi. Birlashtiruvchi qatlam-odatda modifikatsiyalangan floropolimer yoki silan-asosidagi yopishqoqlik promouteri - bu siklik kesish kuchlanishiga yopishib qolmasdan yoki yopishtirmasdan mos kelishi kerak. Takroriy termal aylanish charchoq mexanizmlari orqali biriktiruvchi qatlamni bosqichma-bosqich buzadi, natijada mahalliy delaminatsiyaga va isitgichning muddatidan oldin ishdan chiqishiga olib keladi.
CTE nomuvofiqligidan bog'lanish interfeysida kesish kuchlanishining rivojlanishi
Termal kengayishning mos kelmasligi bir xil kuchlanish maydonini emas, balki bog'langan hududning uchlarida to'plangan yuqori darajada lokalizatsiyalangan maydonni hosil qiladi. PFA bilan to'liq qoplangan 50 sm uzunlikdagi metall yadroli isitgichni ko'rib chiqing. 25 darajadan 150 gradusgacha qizdirilganda, erkin (bog'lanmagan) PFA har bir sm uzunlik uchun taxminan 0,125 mm (CTE 110 ppm/daraja × 125 daraja=0.01375 mm/sm) ga cho'ziladi, jami 50 sm dan ortiq 0,69 mm. Erkin metall yadro har sm uchun 0,020 mm ga cho'ziladi (CTE 16 ppm/daraja × 125 daraja=0.002 mm/sm), jami 50 sm dan ortiq 0,10 mm. 0,59 mm gacha bo'lgan farq birlashtiruvchi qatlamning kesish deformatsiyasiga mos kelishi kerak. Butun 50 sm uzunlikdagi birlashtiruvchi qatlam uchun o'rtacha kesish deformatsiyasi atigi 0,59 mm / 50 sm=0.0012 (0,12%) bo'ladi, bu ahamiyatsiz. Shu bilan birga, biriktiruvchi qatlam uzunligi bo'ylab bir xil deformatsiyalanmaydi. Bog'langan hududning markazida PFA va metall birgalikda harakat qilish uchun cheklangan, shuning uchun nisbiy siljish nolga teng. Bog'langan hududning uchlarida to'liq 0,59 mm differensial kengayish qisqa masofaga-odatda bog'lanish oxiridan 2–5 mm masofada joylashtirilishi kerak. Bu o'rtacha deformatsiyadan 50-100 baravar ko'p bo'lgan siljish deformatsiyasi kontsentratsiyasini hosil qiladi. Qalinligi 0,10 mm qalinlikdagi biriktiruvchi qatlamga ega boʻlgan PFA--oddiy PFA{38}}metall isitgichining chekli elementlarni modellashtirish haroratning 125 darajaga koʻtarilishi uchun bogʻlanish uchlaridagi eng yuqori kesish deformatsiyalarini 15–25% ni bashorat qiladi.
Birlashtiruvchi qatlamdagi 15-25% kesish kuchlanishi, ularning kesish moduliga (shisha o'tish haroratidan yuqori bo'lgan kauchuk holatda taxminan 20-30 MPa) asoslangan ko'pgina modifikatsiyalangan floropolimer yopishtiruvchi moddalar uchun 3-6 MPa kesish kuchlanishiga to'g'ri keladi. Ushbu kuchlanish darajasi yangi qo'llaniladigan biriktiruvchi qatlamning eng yuqori kesish kuchidan past (odatda 8-12 MPa). Yagona termal tsikl ostida biriktiruvchi qatlam omon qoladi. Biroq, har bir tsikl bir xil cho'qqi kesish kuchlanishini qayta-qayta qo'llaydi va charchoqning shikastlanishini boshlaydi. Birlashtiruvchi qatlamning charchash muddati quvvat qonuni munosabatiga amal qiladi: N_f=A × (s_shear)^(-b), bu erda b ftoropolimer yopishtiruvchi moddalar uchun odatda 5 dan 8 gacha. 5 MPa kuchlanish 10 000 tsiklda ishlamay qolishi mumkin, 3 MPa kuchlanish esa hayotni 50 000 tsikldan oshib ketishi mumkin. Amaliy natija shundan iboratki, 125 daraja harorat tebranishi bilan ishlaydigan isitgichlar (masalan, 25 gradusdan 150 darajagacha) birlashtiruvchi qatlamning charchoq muddati 5000-15000 tsiklni tashkil qiladi, 60 daraja tebranishli isitgichlar (masalan, 30 dan 90 daraja) 40 000-100 tsiklga etadi.
Delaminatsiyaning tarqalish mexanizmlari va aniqlanishi
Bog'lanish uchlarida charchoq shikastlanishi boshlanganidan so'ng, delaminatsiya ikki mexanizm orqali interfeys bo'ylab ichkariga tarqaladi. Birinchi mexanizm tsiklik kesish charchoqidir. Har bir termal tsikl bir xil kesish deformatsiyasi taqsimotini qo'llaydi, yoriq uchidagi kuchlanish intensivligi omiliga qarab, yoriqlar old qismini siklda 10-50 mkm ga oshiradi. Delaminatsiyaning o'sishi bilan bog'langan uzunlik qisqaradi va yangi yoriq uchida kesish deformatsiyasi ortadi, chunki bir xil umumiy differentsial siljish qisqaroq qolgan bog'lanish uzunligiga mos kelishi kerak. Ushbu ijobiy fikr tarqalishni tezlashtiradi: umumiy bog'lanish uzunligining 10% gacha o'sgan delaminatsiya, dastlabki bog'lanish uchidan 10-20% yuqori bo'lgan yoriq uchining kesish shtammlarini boshdan kechiradi va bu tezroq tarqalishiga olib keladi. Ikkinchi mexanizm - atrof-muhitga hujum. Korroziv xizmat ko'rsatish{11}}kislota vannalari, gidroksidi tozalash eritmalari yoki nam xlorli muhitlarda-agressiv muhit kapillyar ta'sir orqali delaminatsiya bo'shlig'iga singib ketadi. Kimyoviy turlar toʻgʻridan-toʻgʻri biriktiruvchi qatlamga yoki metall yadro yuzasiga hujum qilib, delaminatsiyani sof mexanik charchoq yorigʻidan korroziyaga{14}}yordamli yoriqga aylantiradi. Yarimo'tkazgichli ho'l dastgohlardagi PFA isitgichlarining dala nosozliklari tahlili shuni ko'rsatadiki, delaminatsiya buzilishlarining 70% texnologik suyuqlik ta'sirida bo'lgan bog'lanish uchlarida, atigi 30% suyuqlik chizig'i ustidagi quruq (yuqori) bog'lanish uchida sodir bo'ladi, bu atrof-muhitning emirilishi tarqalishni 3-5 marta tezlashtirishini ko'rsatadi.
Favqulodda buzilishdan oldin birlashtiruvchi qatlamning delaminatsiyasini aniqlash davriy elektr sinovlarini talab qiladi. Buzilmagan PFA bilan to'liq bog'langan PFA isitgichi metall yadro va g'ilofdan tashqarida joylashgan tuproq elektrodi o'rtasidagi sig'imni ko'rsatadi va vaqt o'tishi bilan barqaror qoladi. Delaminatsiya davom etar ekan, interfeysda havo bo'shlig'i hosil bo'ladi. Havoning dielektrik o'tkazuvchanligi PFA uchun 2,1 ga nisbatan taxminan 1,0 ga teng. Delaminatsiyalangan hudud pastroq sig'imli qism sifatida ko'rinadi.- Isitgich uzunligi bo'ylab sig'imni segmentlangan tashqi elektrod yordamida yoki bitta elektrod qisqichini harakatlantirish orqali o'lchang. Qo'shni 5 sm segmentlar orasidagi sig'imning 15% dan ortiq o'zgarishi mahalliy delaminatsiyani ko'rsatadi. PFA qobig'iga o'rnatilgan tuproq tekisligi bo'lgan isitgichlar uchun (xavfsizlik{12}}bo'lgan dizaynlarda keng tarqalgan) metall yadro va tuproq tekisligi orasidagi izolyatsiya qarshiligini o'lchang. 100-500 MŌ ning 6-12 oy ichida 10-50 MŌ gacha tushishi boshlang'ich qiymatlari bo'shliqqa namlikning kirib borishi bilan progressiv delaminatsiyani ko'rsatadi.
Birlashtiruvchi qatlam dizayni o'zgarishlari va ularning charchoq ko'rsatkichlari
Barcha PFA-metalllarni-birlash usullari termal aylanishda bir xil natija bermaydi. To'rtta umumiy qurilish texnikasi mavjud bo'lib, ularning har biri CTE nomuvofiqligi stressiga turlicha javob beradi. Birinchi va eng charchoqqa chidamli{4}}usul kimyoviy oʻyib ishlangan metall yadrodan, oʻz ichiga reaktiv guruhlarni (maleik angidrid yoki shunga oʻxshash birlashtiruvchi moddalar) oʻz ichiga olgan modifikatsiyalangan PFA astar qatlamidan foydalanadi. Primer kimyoviy jihatdan metall oksidi qatlami bilan bog'lanib, sof yopishtiruvchi emas, balki kovalent interfeys hosil qiladi. Bu konstruksiya DT=100 darajada 50,000–100,000 siklni birlashtiruvchi qatlamni kesishning charchash muddatiga erishadi. Ikkinchi usulda mexanik blokirovka qo'llaniladi: metall yadro qum bilan qo'pollashtiriladi (Ra=3–5 mkm) va PFA alohida yopishtiruvchisiz to'g'ridan-to'g'ri qo'pol sirtga ekstruziya qilinadi. PFA mexanik qulfni yaratib, sirtdagi asperitetlarga oqib o'tadi. Bu usul 20 000–40 000 sikl charchoq muddatini taʼminlaydi, lekin boshqa mexanizm bilan ishlamay qoladi-PFA bogʻlanish qatlamining birikmay qolishi oʻrniga asperliklarni olib tashlaydi. Uchinchi usulda sirt ishlov berilmagan silliq metall yadro ustidagi issiqlik -qisqaruvchi PFA trubkasi qo‘llaniladi, bu esa qisqarish moslamasidan qolgan halqa siqilishiga tayanadi. Bu usul termal aylanishda yomon ishlaydi, chunki yuqori haroratlarda halqa kuchlanishi o'rmalash orqali bo'shashadi. Charchoq muddati odatda DT=80 darajada 5000 tsikldan pastga tushadi. To'rtinchi usul metall va PFA o'rtasida alohida florosilikon yoki FEP yopishtiruvchi qatlamdan foydalanadi. Moslashuvchan (past modulli) bo'lsa-da, bu yopishtiruvchi moddalar zaif kimyoviy qarshilikka ega va ko'plab kislotalarda shishiradi, bu esa yopishtiruvchi qatlam ichidagi yopishqoq yirtilib ketish orqali erta ishdan chiqishiga olib keladi. Charchoq muddati juda o'zgaruvchan bo'lib, o'ziga xos yopishqoq kimyoga qarab 2000 dan 15 000 tsiklgacha o'zgarib turadi.
Bog'lanish usuli va qo'llanilishining jiddiyligi bo'yicha termal tsiklning bardoshliligi
Quyidagi jadval issiqlik siklining kattaligi (DT), maksimal ish harorati va kimyoviy muhitning zo'ravonligiga bog'liq bo'lgan har bir qurilish usuli uchun taxminiy biriktiruvchi qatlam charchoq muddatini beradi. Qiymatlar to'rtta ishlab chiqaruvchi bo'yicha 200 ta isitgich namunasini tezlashtirilgan xizmat muddati sinovidan olingan va PFA devorining minimal qalinligi 1,5 mm ni tashkil qiladi.
| Bog'lanishni qurish usuli | Har bir tsikl uchun maksimal DT (daraja) | Eng yuqori ish harorati (daraja) | Kimyoviy muhit | Kutilayotgan charchoq muddati (50% bog'lanish maydonini yo'qotish uchun aylanishlar) | Muvaffaqiyatsizlik rejimining xarakteristikasi |
|---|---|---|---|---|---|
| Kimyoviy ishlangan metall + reaktiv PFA primeri | 120 | 150 | Neytral yoki engil kislotali (pH 3-9) | 80,000–120,000 | Bog'lanish uchining asta-sekin o'zgarishi; to'satdan delaminatsiya yo'q |
| Kimyoviy ishlangan metall + reaktiv PFA primeri | 80 | 120 | Kuchli kislota (pH 0-2) | 40,000–60,000 | Korroziya{0}}namlangan uchida tarqalishiga yordam beradi |
| Qumlangan metall yadro, to'g'ridan-to'g'ri PFA ekstruziyasi (mexanik blokirovka) | 100 | 140 | Har qanday (-shishmagan) | 25,000–45,000 | Buzuqlikdan-tortib oling; Singan yuzasida PFA fibrilatsiyasi |
| Qumlangan metall yadro, to'g'ridan-to'g'ri PFA ekstruziyasi | 60 | 100 | Strong base (pH >12) | 15,000–25,000 | PFA-metall interfeysining ishqoriy gidrolizi |
| Issiqlik{0}}qisqaruvchi PFA trubkasi, silliq metall yadro | 80 | 120 | Yengil (pH 5–9) | 3,000–8,000 | Markazdan tashqariga tez delaminatsiya; halqa stressini yengillashtirish |
| Issiqlik{0}}qisqaruvchi PFA trubkasi, silliq metall yadro | 50 | 90 | Har qanday | 5,000–12,000 | Delaminatsiya 500 tsikl ichida bog'lanish uchlarida boshlanadi |
| Alohida FEP yoki florosilikon yopishtiruvchi qatlam | 70 | 130 | Neytral (pH 7) | 8,000–18,000 | Yopishqoq qatlamda yopishqoq yirtiq; shish paydo bo'ladi |
| Alohida yopishtiruvchi qatlam, har qanday usul | 40 | 100 | Agressiv organik erituvchi | 500–2,000 | Yopishqoq eritma yoki kuchli shishish; tez muvaffaqiyatsizlik |
| Ikki-qatlamli bog'lanish: o'yilgan metall + astar + FEP yostiq qatlami + PFA | 130 | 180 | Kuchli kislota (pH 0-2) | 50,000–80,000 | Yostiqsimon qatlam eng yuqori kesish kuchlanishini kamaytiradi; qimmat buyurtma qurilishi |
CTE mos kelmasligi stressini kamaytirish uchun dizayn o'zgarishlari
Kerakli issiqlik siklining kattaligi biriktiruvchi qatlamning charchoq qobiliyatidan oshib ketganda, to'rtta dizayn modifikatsiyasi tsiklik kesish kuchlanishini kamaytirishi mumkin. Birinchi modifikatsiyada PFA ga yaqinroq bo'lgan CTE bilan metall yadro ishlatiladi. Hech qanday oddiy metall PFA ning 110 ppm/darajasiga mos kelmasa-da, alyuminiy (CTE 23 ppm/daraja) zanglamaydigan po'latga (CTE 17 ppm/daraja) nisbatan CTE farqini 40% ga qisqartiradi. Biroq, alyuminiy ko'plab kislotalarda tezda korroziyaga uchraydi, bu PFA qo'llanilishidan oldin metall yadroda nozik himoya qoplamasini talab qiladi. Ikkinchi modifikatsiya uzluksiz bog'langan uzunlikni qisqartiradi. 50 sm isitgich uchun differentsial kengayish 0,59 mm. 25 sm isitgich uchun differensial 0,30 mm ga tushadi, bu esa bog'lanish uchlarida kesish kuchlanishini mutanosib ravishda kamaytiradi. Uzoq isitgichlarni talab qiladigan chuqur tanklarda bir uzluksiz bog'langan uzunlik o'rniga qo'llab-quvvatlanmaydigan bo'shliqlar bilan ajratilgan bir nechta qisqaroq bog'langan segmentlardan foydalaning. Uchinchi modifikatsiya metall yadro va qattiq PFA qobig'i o'rtasida mos keladigan qatlamni qo'shadi. Silikon kauchuk yoki ftorsilikonning yupqa (0,2-0,5 mm) qatlami 1-3 MPa kesish moduli (PFA uchun 20-30 MPa bilan solishtirganda) kesish kuchlanishini bog'lash interfeysiga o'tkazishdan ko'ra, elastik siqish orqali differentsial kengayishni o'z ichiga oladi. Ushbu yostiq qatlami charchoq muddatini 3-5 marta uzaytiradi, lekin ishlab chiqarish murakkabligini oshiradi va umumiy issiqlik o'tkazuvchanligini biroz pasaytiradi (5-10%). To'rtinchi modifikatsiya isitish moslamasini ikkala uchida ham qistirib, PFA ning erkin kengayishiga yo'l qo'ymaydi. Bu differensial kengayish muammosini bog'lanish uchlaridagi kesishdan PFAning o'zida bosim kuchlanishiga aylantiradi. PFA, egiluvchan polimer bo'lib, shikastlanmasdan 1-2% siqish deformatsiyasini sig'dira oladi. Qisqichli{34}}konstruksiyalar PFA ning burilib ketishiga yo'l qo'ymaslik uchun mustahkam so'nggi muhrlarni talab qiladi, biroq ular biriktiruvchi qatlamning charchoqlarini butunlay yo'q qiladi va cheksiz issiqlik aylanish muddatiga erishadi.
Xulosa: Bog'lanish qatlamining yaxlitligi velosipedda isitishning ishlash muddatini belgilaydi
PFA va uning ichki metall yadrosi o'rtasidagi termal kengayishning mos kelmasligi har bir isitish va sovutish davrida bog'langan hududning uchlarida to'plangan tsiklik kesish stressini keltirib chiqaradi. Ushbu kuchlanish ostida biriktiruvchi qatlamning charchash muddati tez-tez termal tsikl bilan ishlaydigan ilovalarda isitgichning uzoq umrini belgilaydi. Reaktiv primer biriktiruvchi qatlamlari bilan kimyoviy ishlangan metall yadrolar ko'pgina sanoat jarayonlari uchun mos bo'lgan 40,000-120,000 tsiklga erishadi. Kimyoviy bog‘lanishsiz oddiyroq issiqlik{7}}qisqaruvchi quvurlar konstruksiyalari 3000–12000 tsiklda ishlamay qoladi, bu esa ularni kunlik termal aylanishlar bilan har qanday dasturga mos kelmaydi. Termal aylanishli xizmat uchun PFA isitgichlarini belgilaydigan muhandislar ishlab chiqaruvchidan bog'lash usuli bo'yicha hujjatlarni so'rashlari kerak. Metall o‘zagi chizilganmi, astarlanganmi yoki shunchaki dag‘allanganligini ta’riflay olmaydigan sotuvchi, ehtimol, pastroq charchoq-konstruksiyadan foydalanadi. Eng talabchan ilovalar uchun-kuniga ikki marta oʻn yil (7300 sikl) aylanadigan issiq kislotali vannalar-faqat reaktiv astar yoki ikki qavatli yostiq dizayni bilan kimyoviy oʻyib ishlangan bogʻlanish yetarlicha charchoq chegarasini taʼminlaydi. Tegishli biriktiruvchi qatlamning qo'shimcha narxi odatda isitgich narxining 15-25% ni tashkil qiladi, termal velosiped xizmatida xizmat muddatini oylardan yillargacha uzaytirish uchun kichik mukofot.
