पीएफए ​​और आंतरिक धातु कोर के बीच थर्मल विस्तार बेमेल थर्मल साइक्लिंग के तहत बॉन्डिंग परत की अखंडता को कैसे बदलता है?

प्रत्येक पीएफए ​​{{0}एनकैप्सुलेटेड इमर्शन हीटर में एक धातु हीटिंग कोर होता है {{1}आम तौर पर इंकोलॉय 825, टाइटेनियम, या स्टेनलेस स्टील 316 {{4} जो पीएफए ​​की एक परत से घिरा होता है जिसे या तो सीधे धातु पर बाहर निकाला जाता है या एक मध्यवर्ती चिपकने वाली बॉन्डिंग परत के साथ हीट सिकुड़ ट्यूब के रूप में लगाया जाता है। अधिकांश वाणिज्यिक हीटरों में केवल 0.05-0.20 मिमी मोटी यह बॉन्डिंग परत दो महत्वपूर्ण कार्य करती है: यह धातु कोर से गर्मी को बाहरी पीएफए ​​शीथ में स्थानांतरित करती है और प्रदूषण को रोकती है जो नमी के प्रवेश और विद्युत रिसाव की अनुमति देती है। पीएफए ​​(100-120 पीपीएम/डिग्री) और धातु कोर (14-18 पीपीएम/डिग्री) के लिए थर्मल विस्तार (सीटीई) के गुणांक लगभग छह के कारक से भिन्न होते हैं। परिवेश से परिचालन तापमान (उदाहरण के लिए, उच्च तापमान एसिड स्नान के लिए 25 डिग्री से 150 डिग्री) तक प्रत्येक ताप चक्र के दौरान, पीएफए ​​30 सेमी लंबाई में धातु कोर की तुलना में 0.8-1.2% अधिक विस्तार करने का प्रयास करता है। यह विभेदक विस्तार, बंधे हुए क्षेत्र के सिरों पर केंद्रित, पीएफए ​​- धातु इंटरफ़ेस पर चक्रीय कतरनी तनाव उत्पन्न करता है। बॉन्डिंग परत आम तौर पर एक संशोधित फ्लोरोपॉलीमर या सिलेन आधारित आसंजन प्रमोटर होती है, जिसे इस चक्रीय कतरनी तनाव को बिना किसी संसक्ति या चिपकने वाली विफलता के समायोजित करना चाहिए। बार-बार थर्मल साइकलिंग थकान तंत्र के माध्यम से बॉन्डिंग परत को धीरे-धीरे कम कर देती है, जिससे अंततः स्थानीयकृत प्रदूषण और समय से पहले हीटर विफलता हो जाती है।

सीटीई मिसमैच से बॉन्डिंग इंटरफ़ेस पर कतरनी तनाव विकास

थर्मल विस्तार बेमेल एक समान तनाव क्षेत्र नहीं बल्कि बंधे हुए क्षेत्र के सिरों पर केंद्रित एक अत्यधिक स्थानीयकृत तनाव क्षेत्र बनाता है। 50 सेमी की धातु कोर लंबाई वाले एक हीटर पर विचार करें जो पूरी तरह से पीएफए ​​से घिरा हुआ है। जब 25 डिग्री से 150 डिग्री तक गर्म किया जाता है, तो मुक्त (बिना बंधा हुआ) पीएफए ​​लगभग 0.125 मिमी प्रति सेमी लंबाई (सीटीई 110 पीपीएम/डिग्री × 125 डिग्री=0.01375 मिमी/सेमी) तक बढ़ जाएगा, कुल 50 सेमी से अधिक 0.69 मिमी। मुक्त धातु कोर 0.020 मिमी प्रति सेमी (सीटीई 16 पीपीएम/डिग्री × 125 डिग्री {{15%) मिमी/सेमी) तक बढ़ जाएगा, कुल 50 सेमी से अधिक 0.10 मिमी। 0.59 मिमी के अंतर को बॉन्डिंग परत के कतरनी विरूपण द्वारा समायोजित किया जाना चाहिए। एक बॉन्डिंग परत के लिए जो पूरी 50 सेमी लंबाई तक फैली हुई है, औसत कतरनी तनाव केवल 0.59 मिमी / 50 सेमी=0.0012 (0.12%) होगा, जो तुच्छ है। हालाँकि, बॉन्डिंग परत अपनी लंबाई के साथ समान रूप से विकृत नहीं होती है। बंधे हुए क्षेत्र के केंद्र में, पीएफए ​​और धातु एक साथ चलने के लिए बाध्य हैं, इसलिए सापेक्ष विस्थापन शून्य है। बंधे हुए क्षेत्र के सिरों पर, पूरे 0.59 मिमी के अंतर विस्तार को बंधन के अंत से छोटी दूरी - के भीतर समायोजित किया जाना चाहिए, आमतौर पर 2-5 मिमी। यह औसत तनाव का 50-100 गुना कतरनी तनाव एकाग्रता कारक बनाता है। 0.10 मिमी मोटी बॉन्डिंग परत के साथ धातु हीटर पर एक विशिष्ट पीएफए ​​का परिमित तत्व मॉडलिंग 125 डिग्री तापमान वृद्धि के लिए 15-25% के बॉन्ड सिरों पर चरम कतरनी तनाव की भविष्यवाणी करता है।

बॉन्डिंग परत में 15-25% का कतरनी तनाव, उनके कतरनी मापांक (ग्लास संक्रमण तापमान के ऊपर रबरयुक्त अवस्था में लगभग 20-30 एमपीए) के आधार पर, अधिकांश संशोधित फ्लोरोपॉलीमर चिपकने वाले के लिए 3-6 एमपीए के कतरनी तनाव से मेल खाता है। यह तनाव स्तर ताज़ा लगाई गई बॉन्डिंग परत (आमतौर पर 8-12 एमपीए) की अंतिम कतरनी ताकत से कम है। एकल तापीय चक्र के तहत, बंधन परत जीवित रहती है। हालाँकि, प्रत्येक चक्र एक ही चरम कतरनी तनाव को बार-बार लागू करता है, जिससे थकान क्षति शुरू होती है। बॉन्डिंग परत का थकान जीवन एक शक्ति कानून संबंध का पालन करता है: N_f=A × (σ_shear)^(-b), जहां फ्लोरोपॉलीमर चिपकने वाले के लिए b आमतौर पर 5 से 8 तक होता है। 5 एमपीए का तनाव 10,000 चक्रों में विफलता उत्पन्न कर सकता है, जबकि 3 एमपीए का तनाव जीवन को 50,000 चक्रों से आगे बढ़ा सकता है। व्यावहारिक परिणाम यह है कि 125 डिग्री तापमान स्विंग (उदाहरण के लिए, 25 डिग्री से 150 डिग्री) के साथ चलने वाले हीटरों में 5,000-15,000 चक्रों की बॉन्डिंग परत थकान जीवन होती है, जबकि 60 डिग्री स्विंग (उदाहरण के लिए, 30 डिग्री से 90 डिग्री) वाले हीटर 40,000-100,000 चक्र प्राप्त करते हैं।

प्रदूषण प्रसार तंत्र और जांच

एक बार जब बंधन समाप्त होने पर थकान क्षति शुरू हो जाती है, तो प्रदूषण दो तंत्रों के माध्यम से इंटरफ़ेस के साथ अंदर की ओर फैलता है। पहला तंत्र चक्रीय कतरनी थकान है। प्रत्येक थर्मल चक्र एक ही कतरनी तनाव वितरण को लागू करता है, जो दरार की नोक पर तनाव तीव्रता कारक के आधार पर प्रति चक्र 10-50 µm तक दरार के अग्र भाग को आगे बढ़ाता है। जैसे-जैसे प्रदूषण लंबा होता जाता है, बंधी हुई लंबाई कम हो जाती है, और नई दरार की नोक पर कतरनी तनाव बढ़ जाता है क्योंकि समान कुल अंतर विस्थापन को छोटी शेष बंध लंबाई पर समायोजित किया जाना चाहिए। यह सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रसार को गति देती है: एक प्रदूषण जो कुल बांड लंबाई के 10% तक बढ़ गया है, प्रारंभिक बांड अंत की तुलना में 10-20% अधिक क्रैक टिप कतरनी तनाव का अनुभव करता है, जिससे यह तेजी से फैलता है। दूसरा तंत्र पर्यावरण पर हमला है। संक्षारक सेवा में {{11}एसिड स्नान, कास्टिक सफाई समाधान, या गीले क्लोरीन वातावरण में -आक्रामक माध्यम केशिका क्रिया द्वारा प्रदूषण अंतराल में समा जाता है। रासायनिक प्रजातियाँ या तो सीधे तौर पर बंधन परत पर या धातु की कोर सतह पर हमला करती हैं, जिससे प्रदूषण को पूरी तरह से यांत्रिक थकान दरार से संक्षारण सहायता वाली दरार में परिवर्तित कर दिया जाता है। सेमीकंडक्टर गीले बेंचों से पीएफए ​​हीटरों के क्षेत्र विफलता विश्लेषण से पता चलता है कि 70% प्रदूषण विफलताएं प्रक्रिया तरल के संपर्क में आने वाले बॉन्ड सिरों पर होती हैं, जबकि केवल 30% तरल रेखा के ऊपर सूखे (ऊपरी) बॉन्ड अंत में होती हैं, जो दर्शाता है कि पर्यावरणीय विकिंग 3-5 के कारक द्वारा प्रसार को तेज करती है।

भयावह विफलता से पहले बॉन्डिंग परत के प्रदूषण का पता लगाने के लिए समय-समय पर विद्युत परीक्षण की आवश्यकता होती है। बरकरार पीएफए ​​के साथ पूरी तरह से बंधा हुआ पीएफए ​​हीटर धातु कोर और म्यान के बाहर रखे गए ग्राउंड इलेक्ट्रोड के बीच एक समाई दिखाता है जो समय के साथ स्थिर रहता है। जैसे-जैसे प्रदूषण बढ़ता है, इंटरफ़ेस पर एक वायु अंतराल बनता है। पीएफए ​​के लिए 2.1 की तुलना में वायु का ढांकता हुआ स्थिरांक लगभग 1.0 है। इस प्रकार एक विच्छेदित क्षेत्र निचले - कैपेसिटेंस अनुभाग के रूप में प्रकट होता है। खंडित बाहरी इलेक्ट्रोड का उपयोग करके या एकल इलेक्ट्रोड क्लैंप को घुमाकर हीटर की लंबाई के साथ कैपेसिटेंस को मापें। आसन्न 5 सेमी खंडों के बीच 15% से अधिक धारिता भिन्नता स्थानीयकृत प्रदूषण को इंगित करती है। पीएफए ​​शीथ (सुरक्षा रेटेड डिजाइनों में सामान्य) में ग्राउंड प्लेन वाले हीटरों के लिए, धातु कोर और ग्राउंड प्लेन के बीच इन्सुलेशन प्रतिरोध को मापें। 100-500 MΩ का प्रारंभिक मान 6-12 महीनों में घटकर 10-50 MΩ हो जाता है, जो अंतराल में नमी के प्रवेश के साथ प्रगतिशील प्रदूषण का संकेत देता है।

बॉन्डिंग परत डिज़ाइन विविधताएं और उनका थकान प्रदर्शन

थर्मल साइक्लिंग के तहत सभी पीएफए ​​- से - धातु बंधन विधियां समान रूप से कार्य नहीं करती हैं। चार सामान्य निर्माण तकनीकें मौजूद हैं, जिनमें से प्रत्येक सीटीई बेमेल तनाव के प्रति एक अलग प्रतिक्रिया देती है। पहली और सबसे अधिक थकान प्रतिरोधी विधि प्रतिक्रियाशील समूहों (मैलिक एनहाइड्राइड या समान युग्मन एजेंटों) वाले संशोधित पीएफए ​​की प्राइमर परत के साथ रासायनिक रूप से नक्काशीदार धातु कोर का उपयोग करती है। प्राइमर रासायनिक रूप से धातु ऑक्साइड परत से बंधता है, जिससे शुद्ध रूप से चिपकने वाले के बजाय एक सहसंयोजक इंटरफ़ेस बनता है। यह निर्माण ΔT=100 डिग्री पर 50,000-100,000 चक्रों की बॉन्डिंग परत कतरनी थकान जीवन प्राप्त करता है। दूसरी विधि एक यांत्रिक इंटरलॉक का उपयोग करती है: धातु कोर को सैंडब्लास्टिंग (रा=3 -5 µm) द्वारा खुरदरा किया जाता है और पीएफए ​​को अलग चिपकने के बिना सीधे खुरदरी सतह पर निकाला जाता है। पीएफए ​​सतह की असमानताओं में प्रवाहित होता है, जिससे एक यांत्रिक लॉक बनता है। यह विधि 20,000-40,000 चक्रों का थकान जीवन प्रदान करती है लेकिन एक अलग तंत्र द्वारा विफल हो जाती है - पीएफए ​​बंधन परत के एकजुट रूप से विफल होने के बजाय असमानताओं से बाहर निकल जाता है। तीसरी विधि बिना किसी सतह उपचार के चिकनी धातु कोर पर हीट सिकुड़न पीएफए ​​ट्यूब का उपयोग करती है, जो सिकुड़न फिट से अवशिष्ट घेरा संपीड़न पर निर्भर करती है। यह विधि थर्मल साइक्लिंग के तहत खराब प्रदर्शन करती है क्योंकि ऊंचे तापमान पर रेंगने से घेरा तनाव कम हो जाता है। थकान का जीवन आमतौर पर ΔT=80 डिग्री पर 5,000 चक्र से नीचे चला जाता है। चौथी विधि धातु और पीएफए ​​के बीच एक अलग फ्लोरोसिलिकॉन या एफईपी चिपकने वाली परत का उपयोग करती है। लचीले (कम मॉड्यूलस) होने पर, इन चिपकने वाले पदार्थों में खराब रासायनिक प्रतिरोध होता है और कई एसिड में सूजन हो जाती है, जिससे चिपकने वाली परत के भीतर एकजुट टूटने से समय से पहले विफलता हो जाती है। थकान का जीवन अत्यधिक परिवर्तनशील होता है, जो विशिष्ट चिपकने वाले रसायन विज्ञान के आधार पर 2,000 से 15,000 चक्रों तक होता है।

बॉन्डिंग विधि और अनुप्रयोग गंभीरता द्वारा थर्मल चक्र सहिष्णुता

निम्नलिखित तालिका थर्मल चक्र परिमाण (ΔT), अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान और रासायनिक पर्यावरण की गंभीरता के आधार पर प्रत्येक निर्माण विधि के लिए अनुमानित बॉन्डिंग परत थकान जीवन प्रदान करती है। मान चार निर्माताओं में 200 हीटर नमूनों के त्वरित जीवन परीक्षण से प्राप्त होते हैं और न्यूनतम पीएफए ​​दीवार की मोटाई 1.5 मिमी मानते हैं।

सीटीई बेमेल तनाव को कम करने के लिए डिज़ाइन संशोधन

जब आवश्यक थर्मल चक्र परिमाण संबंध परत की थकान क्षमता से अधिक हो जाता है, तो चार डिज़ाइन संशोधन चक्रीय कतरनी तनाव को कम कर सकते हैं। पहला संशोधन पीएफए ​​के करीब सीटीई के साथ एक धातु कोर का उपयोग करता है। जबकि कोई भी सामान्य धातु पीएफए ​​के 110 पीपीएम/डिग्री से मेल नहीं खाती है, एल्यूमीनियम (सीटीई 23 पीपीएम/डिग्री) स्टेनलेस स्टील (सीटीई 17 पीपीएम/डिग्री) की तुलना में सीटीई अंतर को 40% तक कम कर देता है। हालाँकि, एल्युमीनियम कई एसिड में तेजी से संक्षारित होता है, जिसके लिए पीएफए ​​लगाने से पहले धातु कोर पर एक पतली सुरक्षात्मक कोटिंग की आवश्यकता होती है। दूसरा संशोधन निरंतर बंधी हुई लंबाई को छोटा करता है। 50 सेमी हीटर के लिए, अंतर विस्तार 0.59 मिमी है। 25 सेमी हीटर के लिए, अंतर घटकर 0.30 मिमी हो जाता है, जिससे आनुपातिक रूप से बॉन्ड सिरों पर कतरनी तनाव कम हो जाता है। लंबे हीटरों की आवश्यकता वाले गहरे टैंकों में, एक निरंतर बंधी हुई लंबाई के बजाय असमर्थित अंतराल से अलग किए गए कई छोटे बंधुआ खंडों का उपयोग करें। तीसरा संशोधन धातु कोर और कठोर पीएफए ​​शीथ के बीच एक अनुरूप परत जोड़ता है। 1-3 एमपीए (पीएफए ​​के लिए 20-30 एमपीए की तुलना में) के कतरनी मापांक के साथ सिलिकॉन रबर या फ्लोरोसिलिकॉन की एक पतली (0.2-0.5 मिमी) परत, बंधन इंटरफ़ेस पर कतरनी तनाव को संचारित करने के बजाय लोचदार संपीड़न के माध्यम से अंतर विस्तार को समायोजित करती है। यह कुशन परत थकान जीवन को 3-5 के कारक तक बढ़ा देती है, लेकिन विनिर्माण जटिलता बढ़ाती है और समग्र गर्मी हस्तांतरण को थोड़ा कम कर देती है (5-10%)। चौथा संशोधन हीटर को दोनों सिरों पर जकड़ देता है, जिससे पीएफए ​​को स्वतंत्र रूप से फैलने से रोका जा सकता है। यह अंतर विस्तार की समस्या को बांड के सिरों पर कतरनी से पीएफए ​​में संपीड़ित तनाव में बदल देता है। पीएफए, एक लचीला बहुलक होने के कारण, बिना किसी क्षति के 1-2% संपीड़न तनाव को समायोजित कर सकता है। अंतिम क्लैंप्ड डिज़ाइनों को पीएफए ​​को झुकने से रोकने के लिए मजबूत अंत सील की आवश्यकता होती है, लेकिन वे बॉन्डिंग परत की थकान को पूरी तरह से खत्म कर देते हैं, जिससे अनिवार्य रूप से असीमित थर्मल चक्र जीवन प्राप्त होता है।

निष्कर्ष: बॉन्डिंग लेयर इंटीग्रिटी साइक्लिंग के तहत हीटर के जीवन को परिभाषित करती है

पीएफए ​​और इसके आंतरिक धातु कोर के बीच थर्मल विस्तार बेमेल प्रत्येक ताप और शीतलन चक्र के दौरान बंधे हुए क्षेत्र के सिरों पर केंद्रित चक्रीय कतरनी तनाव पैदा करता है। इस तनाव के तहत बॉन्डिंग परत की थकान का जीवन बार-बार थर्मल साइक्लिंग के साथ अनुप्रयोगों में हीटर की दीर्घायु निर्धारित करता है। प्रतिक्रियाशील प्राइमर बॉन्डिंग परतों के साथ रासायनिक रूप से नक़्क़ाशीदार धातु कोर 40,000-120,000 चक्र प्राप्त करते हैं, जो अधिकांश औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए उपयुक्त है। रासायनिक बंधन के बिना सरल ताप सिकुड़न ट्यूब निर्माण 3,000-12,000 चक्रों के भीतर विफल हो जाते हैं, जिससे वे दैनिक थर्मल चक्रों के साथ किसी भी अनुप्रयोग के लिए अनुपयुक्त हो जाते हैं। थर्मली साइकल सेवा के लिए पीएफए ​​हीटर निर्दिष्ट करने वाले इंजीनियरों को निर्माता से बॉन्डिंग विधि के दस्तावेज़ीकरण का अनुरोध करना होगा। एक विक्रेता यह बताने में असमर्थ है कि धातु का कोर खोदा गया है, प्राइम किया गया है, या केवल खुरदरा किया गया है, संभवतः कम थकान निर्माण का उपयोग करता है। सबसे अधिक मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए {{16}हॉट एसिड स्नान, जो दस साल (7,300 चक्र) के लिए प्रति दिन दो बार चक्रित होता है, केवल प्रतिक्रियाशील प्राइमर या दोहरी परत कुशन डिजाइन के साथ रासायनिक रूप से नक़्क़ाशीदार बंधन ही पर्याप्त थकान मार्जिन प्रदान करता है। एक उचित बॉन्डिंग परत की वृद्धिशील लागत आम तौर पर हीटर की कीमत का 15-25% होती है, जो थर्मल साइक्लिंग सेवा में सेवा जीवन को महीनों से वर्षों तक बढ़ाने के लिए एक छोटा सा प्रीमियम है।