بخاری پس از ماه ها سرویس قابل اعتماد از مخزن خارج می شود. هیچ اثر سوختگی، خطای الکتریکی و شواهدی از حمله شیمیایی وجود ندارد. با این حال، در امتداد بیرونی یک خم و نزدیک اتصال فلنج، ترکهای مویی ظریفی به نظر میرسند که به صورت طولی در امتداد غلاف قرار دارند. اپراتورها اصرار دارند که هیچ چیزی به بخاری برخورد نکرده و دمای کار هرگز از حد مجاز فراتر نرفت. این الگو نشان دهنده خستگی است تا تصادف. این یک مثال کلاسیک از آسیبهای ناشی از ترک-تنش حرارتی است که توسط یک رویداد منفرد، بلکه توسط هزاران چرخه گرمایش عادی ایجاد میشود.
بخاری های غوطه ور PTFE در محیط هایی کار می کنند که با شروع، توقف یا تنظیم فرآیندها، دما به طور مکرر افزایش و کاهش می یابد. هر چرخه باعث انبساط و انقباض می شود. در حالی که این حرکت به صورت مطلق کوچک است، رفتار مواد تأثیر را قابل توجه می کند. ضریب انبساط حرارتی PTFE بسیار بالاتر از فلزات مورد استفاده در سازه های بخاری داخلی است. هنگامی که دما افزایش می یابد، غلاف فلوروپلیمر بیشتر از اجزای داخلی یا سخت افزار نصب آن طولانی و ضخیم می شود. وقتی خنک شدن اتفاق می افتد، دوباره منقبض می شود. بنابراین بخاری در طول کار به طور مداوم به صورت میکروسکوپی حرکت می کند.
اگر این حرکت آزادانه رخ دهد، ماده حداقل استرس را تجربه می کند. مشکلات زمانی بوجود می آیند که انبساط محدود شود. فلنج ها، تکیه گاه های سفت و سخت، نفوذهای محکم به دیوار، و براکت های نصب ثابت، بخش هایی از بخاری را در جای خود نگه می دارند. بخش های گرم شده سعی می کنند منبسط شوند در حالی که بخش های مهار شده ثابت می مانند و نیروهای داخلی در دیواره پلیمری ایجاد می کنند. این نیروها به اندازه کافی بزرگ نیستند که باعث شکست فوری شوند، اما تکراری هستند. با گذشت زمان، ساختار پلیمری ترک خوردگی ناشی از خستگی را تجربه می کند.
مکانیسمهای خستگی در پلیمرها با مکانیزمهای فلزات متفاوت است، اما در یک اصل مشترک هستند: کرنشهای مکرر پیوند مولکولی را ضعیف میکند. هر چرخه حرارتی مواد را در مکان های محدود کمی کشش می دهد. شکاف های میکروسکوپی از سطحی که تمرکز تنش وجود دارد شروع می شود. با ادامه دوچرخه سواری، ترک ها به تدریج رشد می کنند تا زمانی که قابل مشاهده شوند. در نهایت آنها به قدری عمیق نفوذ می کنند که مانع محافظ را به خطر بیاندازند.
مکانهای خاصی ابتدا این آسیب را نشان میدهند. اتصال فلنج رایج است زیرا نقطه نصب بخاری را محکم می کند در حالی که قسمت غوطه ور منبسط می شود. راس خم ها یکی دیگر از مناطق معمولی است، به ویژه در جاهایی که شعاع های تنگ وجود دارد. در خم ها، سطح بیرونی در حین گرم شدن کشیده می شود در حالی که سطح داخلی فشرده می شود و غلظت تنش را تقویت می کند. اگر فاصله ناکافی حرکت را محدود کند، عبور{4}}از پشتیبانها یا دهانههای دیوار مخزن نیز میتواند به نقطه شروع ترک تبدیل شود.
شرایط عملیاتی به شدت بر میزان آسیب تأثیر می گذارد. کنترل دمای خاموش{1}مکرر چرخه های انبساط زیادی ایجاد می کند و خستگی را تسریع می کند. نوسانات گسترده دما باعث تغییرات ابعادی بزرگتر و کرنش بیشتر می شود. گرمایش یا سرمایش سریع باعث ایجاد گرادیان های حرارتی در طول بخاری می شود که باعث افزایش انبساط دیفرانسیل بین بخش ها می شود.
مشاهدات میدانی به طور مداوم نشان می دهد که هندسه مهم است. بخاری هایی با خمش های نود-درجه، زودتر از بخاری هایی که با منحنی های صاف بزرگ تشکیل شده اند، خراب می شوند. هرچه شعاع خمش کوچکتر باشد، فشار وارده بر دیواره بیرونی در حین انبساط بیشتر می شود. به طور مشابه، گیره سفت و سخت در اطراف غلاف عمر مفید را به شدت کاهش می دهد زیرا بخاری نمی تواند به طور طبیعی حرکت کند.
طراحی پیشگیرانه به جای افزایش قدرت، بر تطبیق گسترش تمرکز دارد. اجازه دادن به حرکت، استرس را به طور موثرتر از تلاش برای مقاومت در برابر آن کاهش می دهد. ورق های لوله شناور یا صفحات نصب انعطاف پذیر اجازه رشد محوری را می دهند و در عین حال یکپارچگی آب بندی را حفظ می کنند. فاصله کافی در جایی که بخاری از دیواره های مخزن عبور می کند از اتصال در حین انبساط جلوگیری می کند. تکیه گاه های نرمی که به جای گرفتن بخاری هدایت می شوند، فشار موضعی را کاهش می دهند.
هندسه بخاری باید تا حد امکان دارای منحنی های تدریجی باشد. شعاع خم بزرگتر، انبساط را در بخش طولانی تری از مواد توزیع می کند و تنش اوج را کاهش می دهد. برخی از طرح ها شامل حلقه های انبساط یا بخش های انعطاف پذیر هستند که به طور عمدی برای جذب حرکت حرارتی شکل گرفته اند. این ویژگی ها به عنوان فنرهای مکانیکی عمل می کنند و از مناطق بحرانی مانند اتصالات فلنج محافظت می کنند.
شیوه های عملیاتی نیز نقش دارند. اجتناب از چرخه دمایی غیر ضروری عمر بخاری را افزایش می دهد. حفظ دمای فرآیند به جای خاموش شدن مکرر باعث کاهش انباشت خستگی می شود. در جاهایی که دوچرخهسواری اجتنابناپذیر است، سرعت پایینتر رمپ به به حداقل رساندن گرادیانهای حرارتی و فشار موضعی کمک میکند. حتی تغییرات کوچک در استراتژی کنترل می تواند به طور قابل توجهی استرس گسترش را در طول ماه ها خدمت کاهش دهد.
روال های بازرسی باید مکان های ترک قابل پیش بینی را هدف قرار دهند. سمت بیرونی خم ها، انتقال فلنج ها و نفوذهای تکیه گاه نیاز به بررسی دقیق بصری دارند. ترک های اولیه اغلب قبل از تبدیل شدن به شکاف های باز به صورت خطوط سفید کم رنگ در سطح پلیمر ظاهر می شوند. تشخیص زودهنگام آنها امکان تعویض برنامه ریزی شده را قبل از وقوع نشت یا خطاهای الکتریکی فراهم می کند.
ترک خوردگی تنش حرارتی اساساً یک پدیده خستگی است تا یک نقص مادی. PTFE زمانی که اجازه انبساط طبیعی را داشته باشد، عملکرد قابل اعتمادی دارد، اما حرکات محدود مکرر به تدریج بر محدودیت استقامت پلیمر غلبه می کند. چیدمان مکانیکی خوب، هندسه خمشی مناسب و شرایط عملیاتی کنترل شده، محیط بخاری را از محدود به سازگار تبدیل می کند.
برای برنامههایی که شامل چرخههای گرمایش و سرمایش مکرر میشوند، همکاری با سازندگان بخاری برای گنجاندن طرحهای متحمل توسعه-مانند بخشهای منعطف یا پایههای شناور{2}}قابلیت اطمینان طولانیمدت- فراهم میکند. تطبیق مناسب انبساط تضمین می کند که فلوروپلیمر یکپارچگی محافظتی خود را در طول هزاران چرخه حرارتی حفظ می کند و از یک حالت خرابی ظریف اما قابل پیش بینی جلوگیری می کند.
