Pourquoi un-couple excessif de la bride de montage du chauffage PFA peut-il entraîner une fissuration prématurée sous contrainte au niveau de la racine du filetage ?

Les thermoplongeurs encapsulés en PFA-se fixent sur les parois ou les couvercles du réservoir à l'aide de brides de montage-généralement construites en PVDF, en polypropylène ou en acier inoxydable avec un surmoulage en PFA. Lorsque la bride est serrée, elle comprime un joint contre la surface du réservoir pour créer un joint étanche aux liquides. Les instructions d'installation fournissent une plage de couples pour les boulons de montage, mais des défaillances sur site se produisent généralement à la racine des filetages dans les trous de boulons de la bride ou du raccord fileté du radiateur. Ces fissures surviennent des semaines ou des mois après l'installation, parfois avant que le radiateur ait fonctionné plusieurs heures. La cause n'est ni une attaque chimique ni une dégradation thermique mais une surcharge mécanique lors de l'installation du . Le PFA, contrairement aux métaux, présente un fort fluage viscoélastique et aucune limite d'élasticité bien définie. Si une installation utilise un couple supérieur à la plage spécifiée, le PFA entourant la racine du filetage est soumis à un écoulement à froid localisé et de minuscules fissures se produisent. Sous les effets combinés des contraintes résiduelles d’installation et des cycles de température ultérieurs, ces fissures se transforment en fissures complètes. Une meilleure compréhension de ce processus de défaillance implique une étude de la concentration de contraintes au niveau des racines des filetages et du comportement de défaillance des polymères fluorés en fonction du temps.

Concentration de contraintes au niveau des pieds de filetage sous compression
Une jonction filetée dans une bride ou un raccord PFA présente une augmentation naturelle des contraintes à la racine de chaque filetage, au niveau du rayon aigu où le profil du filetage rencontre la tige du boulon. Le facteur de concentration de contrainte (Kt) au niveau du fond de filetage pointu pour les filetages métalliques est de 2,5 à 4,0, de sorte que la contrainte locale est de 2,5 à 4,0 fois la contrainte nominale dérivée de la charge du boulon. Le PFA, ayant un module plus faible et une meilleure ductilité, a une concentration efficace encore plus élevée puisque le polymère ne peut pas partager la charge en raison d'une élasticité localisée aussi efficacement que le métal. L'étude par éléments finis d'un filetage M12 dans une bride PFA avec un couple de boulon de 15 Nm (typique pour une bride de 50 mm) indique une contrainte principale maximale à la racine du filetage de 22 à 28 MPa par rapport à une contrainte de compression nominale sur la face de la bride de seulement 3 à 4 MPa. Cette concentration de contrainte de 6 à 8 fois la valeur nominale se produit lorsque le PFA se déforme élastiquement sous la tête du boulon et transfère préférentiellement la force au premier filetage engagé.

Si un installateur dépasse-des couples-25 N·m au lieu de 15 N·m, la tension maximale à la racine du filetage augmente de manière non-linéaire. Le PFA commence à céder localement à environ 12 à 14 MPa (sa limite d'élasticité en compression à température ambiante). Après avoir cédé, la courbe de contrainte-déformation atteint un plateau où une déformation supplémentaire a lieu sans beaucoup d'augmentation de la contrainte. Mais la forme du fond du filetage ne permet pas une élasticité uniforme. D’abord, le matériau à la racine cède, puis la zone de plastification s’étend. La zone plastique s'étend sur environ 1,5 à 2,0 mm à partir de la racine du filetage à 25 N·m. Lors de la suppression du couple, les zones élastiquement déformées tentent de se redresser, mais la zone plastiquement déformée ne reprend pas sa forme antérieure. Ce décalage laisse une tension de traction résiduelle au niveau de la racine - le polymère est effectivement étiré sur un rayon de racine sous-dimensionné. Le niveau de contrainte résiduelle, évalué par des méthodes photoélastiques sur des échantillons de PFA transparents, est de 4 à 8 MPa après un événement de surcouple. Cette contrainte résiduelle à elle seule n'est pas suffisante pour produire une rupture immédiate mais agit comme une précharge qui s'ajoute aux contraintes de fonctionnement.

Transition de la fissuration à la fissuration avec le cyclage thermique
Comme de nombreux polymères semi-cristallins, le PFA développe des fissures au lieu des fissures traditionnelles sous une contrainte de traction modeste. Un engouement est une fine bande de fibrilles polymères fortement orientées s'étendant sur une région vide, généralement de 1 à 5 µm de largeur et de 50 à 200 µm de longueur. Les fissures absorbent l'énergie et peuvent stabiliser un défaut pendant des milliers de cycles de charge. Lorsque les fibrilles se brisent dans la frénésie, généralement sous l’effet d’une force supplémentaire ou d’une interaction avec l’environnement, elles forment de véritables fissures. Dans une bride correctement serrée (le couple est dans la plage prescrite), toutes les fissures formées aux racines des filetages resteront stables pendant toute la durée de vie prévue de l'appareil de chauffage, car la tension résiduelle de l'installation plus la contrainte du cycle thermique est inférieure au seuil de transition de la fissure-à-la fissure. Les deux éléments qui facilitent la transition vers la rupture d'une bride surchargée-sont : Premièrement, la contrainte résiduelle est plus grande (4-8 MPa contre. 1-2 MPa pour un couple optimal), ce qui permet moins de tolérance avant que la contrainte de faïence ne soit dépassée. Deuxièmement, la zone plastique plus grande entraîne un défaut plus long qui déclenche la frénésie à la racine du fil. Le facteur d'intensité de contrainte à la pointe de la folie est proportionnel à la racine carrée de la longueur de la folie, donc une folie initiale plus longue nécessite moins de force supplémentaire pour se propager.

La tension accrue due aux cycles thermiques transforme les fissures stables en fissures qui se propagent. Chaque fois que le chauffage passe de la température ambiante à la température de fonctionnement (par exemple, 25 degrés à 90 degrés pour un bain de gravure acide), la bride PFA se dilate plus que le boulon métallique. En effet, le coefficient de dilatation thermique du PFA (100 à 120 ppm/degré) est environ six fois supérieur à celui de l'acier inoxydable (17 ppm/degré). Cette dilatation différentielle induit une contrainte de traction supplémentaire dans le PFA entourant le boulon, en plus de la contrainte résiduelle d'installation. Pour une bride de 50 mm et 4 boulons M8, une augmentation de température de 70 degrés entraîne une contrainte de traction supplémentaire de 5-7 MPa dans le PFA autour du trou de boulon. Dans une bride bien serrée, la contrainte globale (résiduelle 1 - 2 MPa + thermique 5 - 7 MPa) est de 6 - 9 MPa, en dessous du seuil de 10 - 12 MPa pour la transition de l'engouement-à-fissure pour la plupart des qualités PFA. La contrainte totale pour une bride trop serrée est de 9 à 15 MPa (4 à 8 MPa résiduels plus 5 à 7 MPa thermiques), ce qui est supérieur au seuil de transition. Après 100-500 cycles thermiques, des fissures se développent à partir de la racine du filetage et progressent dans l'épaisseur de la bride au cours des cycles suivants. Une fissuration typique à travers-mur nécessite 1 000-3 000 cycles à partir du début de la transition de la folie à la fissure, en fonction de la gravité du couple excessif et de la température de fonctionnement.

Détection des dommages causés par un-couple excessif avant la croissance des fissures
Les dommages causés par un serrage excessif-ne sont pas évidents sur la surface de la bride extérieure immédiatement après l'installation. Les fissures et la déformation plastique sont limitées au trou de boulon au niveau de la racine du filetage et ne sont pas détectables par inspection visuelle. Il existe cependant trois approches non-non destructives qui peuvent détecter-des brides PFA trop serrées avant que les fissures n'atteignent la surface. La première technique est la mesure de la rétention du couple des boulons. Installez la bride au couple spécifié, marquez la position de la tête du boulon par rapport à la bride, puis re-vérifiez le couple après 24 heures à température ambiante. Un PFA sur-couple et excessivement-flue perdra 30 à 50 % du couple initial dans les 24 heures lorsque le polymère s'écoule à froid sous une compression soutenue. Une bride correctement serrée ne perd que 5 - 15 % du couple d'origine. S'il n'y a pas de fuite apparente et que la perte de couple est supérieure à 25 %, la bride a probablement été trop serrée-dans cette installation ou avant. La deuxième option consiste à placer un endoscope ou une sonde à fibre optique dans le trou du boulon une fois le boulon retiré. Sous grossissement, les racines du fil montrent des taches blanchies, un processus appelé blanchiment sous contrainte, qui sont le résultat du développement de micro-vides. Les racines de filetage trop serrées présentent une bande blanche continue tout au long de la racine des deux premiers filetages. Les racines correctement tordues n'ont pas de blanchiment ou de minuscules taches blanches isolées.

La troisième technique consiste à tester la continuité électrique lorsque la bride comporte un plan de masse intégré. Il s'agit d'une configuration courante pour les radiateurs PFA destinés aux applications de semi-conducteurs. Un serrage excessif - provoque des fissures ou de graves faïences à travers l'épaisseur de la bride, permettant à l'humidité d'accéder au plan de masse. Mesurez la résistance entre le plan de masse et une électrode de référence dans le liquide du réservoir. Une bride correctement scellée indiquera une résistance > 1 000 MΩ. Une bride avec une fracture commençant au fond du filetage présente 100 à 500 MΩ. La bride de fissuration partielle traversante du mur est de 1-100 MΩ. Ce test s'applique uniquement aux brides avec une couche conductrice continue et non à toutes les brides -PFA. La méthode de rétention du couple est la méthode de diagnostic sur site la plus fiable pour les brides entièrement PFA.

Recommandations sur les limites de couple et guide de prévention des pannes
Le tableau ci-dessous fournit des valeurs de couple maximales suggérées pour les tailles typiques de brides et de filetages PFA, ainsi que les effets du dépassement de ces limites. Les valeurs correspondent à un filetage propre et sec sans lubrification (les filetages lubrifiés réduisent la friction et augmentent la précharge pour le même couple, donc une réduction de couple de 20 - 30 % est nécessaire). Toutes les recommandations concernent le PFA à température ambiante lors de l’installation. Les valeurs de couple doivent être réduites de 15 % si la température de la bride est supérieure à 40 degrés lors de l'installation.

Type de bride ou de raccord Taille de filetage Plage de couple recommandée (N·m) Limite de couple (N·m) Conséquence du dépassement de la limite Cycles prévus jusqu'à la fissuration à la limite Bride encapsulée PFA-, diamètre 50 mm M6 4 à 6 10 Couple modéré sur- : blanchiment sous contrainte à la racine du filetage, perte de couple de 25 à 35 % en 24 heures 500-1 000 cycles ΔT=70 degré
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40 % 200-500 cycles
Bride recouverte de PFA, diamètre 100 mm M10 12–16 22 Grave : déformation plastique de la face de la bride, des fissures se développent au premier filetage 50–200 cycles
Raccord fileté PFA massif (NPT ou BSP) 1/2 pouce (DN15) 3–5 8 Risque de dénudage du filetage, fissuration sous contrainte à la racine du filetage en jours 10 à 50 cycles (défaillance immédiate courante)
Raccord fileté PFA solide 3/4 pouce (DN20) 5-8 12 Fissure de la bride, le raccord peut se gripper sur le boulon20-100 cycles

La prévention des dommages causés par un couple excessif implique la sélection et la formation des outils.