Warum kann ein übermäßiges -Anziehen des Montageflansches der PFA-Heizung zu vorzeitigen Spannungsrissen am Gewindegrund führen?

PFA-gekapselte Tauchheizkörper werden mit Montageflanschen an Tankwänden oder -deckeln befestigt-typischerweise aus PVDF, Polypropylen oder Edelstahl mit einer PFA-Umspritzung. Wenn der Flansch festgezogen wird, drückt er eine Dichtung gegen die Tankoberfläche, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu gewährleisten. In den Installationsanweisungen wird ein Drehmomentbereich für die Befestigungsschrauben angegeben. Vor Ort treten jedoch häufig Ausfälle an der Gewindewurzel in den Schraubenlöchern des Flansches oder am Gewindeanschluss des Heizgeräts auf. Diese Risse treten Wochen oder Monate nach der Installation auf, manchmal bevor die Heizung viele Betriebsstunden gelaufen ist. Die Ursache ist weder ein chemischer Angriff noch ein Hitzeabbau, sondern eine mechanische Überbeanspruchung beim Einbau des . Im Gegensatz zu Metallen zeigt PFA ein starkes viskoelastisches Kriechen und keine genau definierte Streckgrenze. Wenn bei der Installation ein Drehmoment verwendet wird, das über dem angegebenen Bereich liegt, ist das den Gewindegrund umgebende PFA einem örtlich begrenzten Kaltfluss ausgesetzt und es kommt zu winzigen Haarrissen. Unter der kombinierten Wirkung von Einbaueigenspannungen und anschließenden Temperaturwechseln entwickeln sich diese Haarrisse zu vollständigen Rissen. Um diesen Versagensprozess besser zu verstehen, müssen die Spannungskonzentration an den Gewindewurzeln und das zeitabhängige Versagensverhalten von Fluorpolymeren untersucht werden.

Spannungskonzentration an Gewindewurzeln unter Druck
Eine Gewindeverbindung in einem PFA-Flansch oder -Fitting führt zu einer natürlichen Spannungserhöhung an der Wurzel jedes Gewindes, am spitzen Radius, wo das Gewindeprofil auf den Schraubenschaft trifft. Der Spannungskonzentrationsfaktor (Kt) am scharfen Gewindegrund für Metallgewinde beträgt 2,5 bis 4,0, sodass die lokale Spannung das 2,5- bis 4,0-fache der aus der Schraubenlast abgeleiteten Nennspannung beträgt. PFA verfügt über einen niedrigeren Modul und eine bessere Duktilität und weist eine sogar noch höhere effektive Konzentration auf, da das Polymer die Ladung nicht so effektiv durch örtliches Nachgeben verteilen kann wie Metall. Eine Finite-Elemente-Studie eines M12-Gewindes in einem PFA-Flansch mit einem Schraubendrehmoment von 15 Nm (typisch für einen 50-mm-Flansch) zeigt eine maximale Hauptspannung am Gewindegrund von 22–28 MPa im Vergleich zu einer nominalen Druckspannung an der Flanschfläche von nur 3–4 MPa. Diese Spannungskonzentration, die dem 6- bis 8-fachen des Nennwerts entspricht, tritt auf, wenn sich PFA unter dem Schraubenkopf elastisch verformt und die Kraft vorzugsweise auf das erste in Eingriff befindliche Gewinde überträgt.

Wenn ein Installateur ein Drehmoment von über-25 N·m statt 15 N·m anzieht, steigt die Spitzenspannung an der Gewindewurzel nicht-linear an. Das PFA beginnt lokal bei etwa 12 bis 14 MPa (seine Druckfließgrenze bei Raumtemperatur) nachzugeben. Nach dem Nachgeben erreicht die Spannungs-Dehnungskurve ein Plateau, auf dem eine weitere Dehnung ohne großen Spannungsanstieg stattfindet. Allerdings lässt die Form des Gewindegrundes kein gleichmäßiges Nachgeben zu. Zuerst gibt das Material an der Wurzel nach, dann breitet sich die Nachgiebigkeitszone aus. Die plastische Zone erstreckt sich ab dem Gewindegrund bei 25 N·m über etwa 1,5–2,0 mm. Bei Wegnahme des Drehmoments versuchen die elastisch verformten Zonen sich zu erholen, die plastisch verformte Zone kehrt jedoch nicht in ihre vorherige Form zurück. Diese Nichtübereinstimmung hinterlässt eine Restzugspannung an der Wurzel - das Polymer wird effektiv über einen zu kleinen Wurzelradius gedehnt. Der Restspannungspegel, der mit photoelastischen Methoden an transparenten PFA-Proben bewertet wurde, beträgt 4–8 MPa nach einem Überdrehmomentereignis. Diese Eigenspannung allein reicht nicht aus, um sofort zum Bruch zu kommen, sondern wirkt als Vorspannung, die die Betriebsspannungen erhöht.

Übergang von Haarrissen zu Rissen mit thermischer Wechselwirkung
Wie bei vielen teilkristallinen Polymeren entwickelt PFA unter mäßiger Zugspannung Haarrisse anstelle herkömmlicher Risse. Ein Haarriss ist ein dünnes Band aus stark ausgerichteten Polymerfibrillen, das sich über einen Hohlraumbereich erstreckt und typischerweise 1–5 µm breit und 50–200 µm lang ist. Risse absorbieren Energie und können einen Fehler über Tausende von Lastzyklen hinweg stabilisieren. Wenn die Fibrillen in der Raserei brechen, normalerweise unter zusätzlicher Kraft oder Wechselwirkung mit der Umgebung, bilden sie echte Risse. Bei einem korrekt angezogenen Flansch (Drehmoment liegt innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs) bleiben alle an den Gewindewurzeln gebildeten Risse während der voraussichtlichen Lebensdauer des Heizgeräts stabil, da die Restspannung aus der Installation plus die thermische Zyklusbelastung unter der Übergangsschwelle von Rissen zu Rissen liegt. Die beiden Elemente, die den Übergang zum Bruch eines über-angezogenen Flansches erleichtern, sind: Erstens ist die Restspannung größer (4-8 MPa gegenüber . 1-2 MPa für optimales Drehmoment), was eine geringere Toleranz ermöglicht, bevor die Haarrissspannung überschritten wird. Zweitens führt die größere Kunststoffzone zu einem längeren Defekt, der die Raserei an der Gewindewurzel auslöst. Der Spannungsintensitätsfaktor an der Rissspitze ist proportional zur Quadratwurzel der Risslänge, sodass ein längerer anfänglicher Riss weniger zusätzliche Kraft zur Ausbreitung erfordert.

Die erhöhte Spannung aufgrund thermischer Wechselwirkungen führt dazu, dass sich stabile Risse in sich ausbreitende Risse verwandeln. Jedes Mal, wenn die Heizung von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur wechselt (z. B. 25 Grad auf 90 Grad bei einem Säureätzbad), dehnt sich der PFA-Flansch stärker aus als der Metallbolzen. Dies liegt daran, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von PFA (100–120 ppm/Grad) etwa sechsmal so hoch ist wie der von Edelstahl (17 ppm/Grad). Diese unterschiedliche Ausdehnung führt zusätzlich zur Restspannung bei der Installation zu einer zusätzlichen Zugspannung im PFA, das die Schraube umgibt. Bei einem 50-mm-Flansch und 4 x M8-Schrauben führt ein Temperaturanstieg von 70 Grad zu einer zusätzlichen Zugspannung von 5-7 MPa im PFA um das Schraubenloch. In einem gut angezogenen Flansch beträgt die Gesamtspannung (Rest 1 - 2 MPa + thermische 5 - 7 MPa) 6 - 9 MPa und liegt damit unter dem Schwellenwert von 10 - 12 MPa für den Übergang von Haarrissen zu Rissen für die meisten PFA-Qualitäten. Die Gesamtspannung für einen über-angezogenen Flansch beträgt 9–15 MPa (Rest 4–8 MPa plus thermische 5–7 MPa), was über dem Übergangsschwellenwert liegt. Nach 100-500 thermischen Zyklen entwickeln sich Risse vom Gewindegrund aus und breiten sich in den nächsten Zyklen über die gesamte Flanschdicke aus. Typische Risse durch -Wandwände erfordern 1.000-3.000 Zyklen ab Beginn des Übergangs vom Riss zum Riss, abhängig von der Schwere des Überdrehmoments und der Betriebstemperatur.

Erkennen von Schäden durch zu hohes-Drehmoment vor Risswachstum
Schäden, die durch zu hohes{0}Anziehen verursacht werden, sind auf der Oberfläche des Außenflansches unmittelbar nach der Installation nicht erkennbar. Die Risse und plastischen Verformungen beschränken sich auf das Schraubenloch am Gewindegrund und sind durch visuelle Inspektion nicht erkennbar. Es gibt jedoch drei zerstörungsfreie Ansätze, mit denen über-überdrehte PFA-Flansche erkannt werden können, bevor die Risse die Oberfläche erreichen. Die erste Technik ist die Messung der Schraubendrehmomentbeständigkeit. Montieren Sie den Flansch mit dem angegebenen Drehmoment, markieren Sie die Position des Schraubenkopfes relativ zum Flansch und überprüfen Sie das Drehmoment nach 24 Stunden bei Raumtemperatur erneut. Über-drehmomentstarkes und übermäßig-kriechendes PFA verliert innerhalb von 24 Stunden 30–50 % des ursprünglichen Drehmoments, wenn das Polymer unter anhaltender Kompression kalt fließt. Ein richtig angezogener Flansch verliert nur 5-15 % des ursprünglichen Drehmoments. Wenn keine offensichtliche Leckage vorliegt und der Drehmomentverlust mehr als 25 % beträgt, wurde der Flansch bei dieser Installation oder früher wahrscheinlich zu stark angezogen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein Endoskop oder eine faseroptische Sonde in das Bolzenloch einzuführen, nachdem der Bolzen entfernt wurde. Unter Vergrößerung zeigen die Gewindewurzeln weißliche Stellen, ein Prozess, der als Weißbruch bezeichnet wird und das Ergebnis der Entwicklung von Mikroporen ist. Überdrehte Gewindewurzeln weisen entlang der gesamten Wurzel der ersten beiden Gewindegänge einen durchgehenden weißen Streifen auf. Richtig festgezogene Wurzeln weisen keine Weißfärbung oder vereinzelte winzige weiße Flecken auf.

Die dritte Technik ist die elektrische Durchgangsprüfung, wenn der Flansch über eine eingebettete Erdungsebene verfügt. Dies ist eine übliche Konfiguration für PFA-Heizungen für Halbleiteranwendungen. Über-Anziehen verursacht Risse oder starke Haarrisse in der Flanschdicke, wodurch Feuchtigkeit in die Grundplatte eindringen kann. Messen Sie den Widerstand zwischen der Erdungsebene und einer Referenzelektrode in der Tankflüssigkeit. Ein ordnungsgemäß abgedichteter Flansch zeigt einen Widerstand von > 1.000 MΩ an. Ein Flansch mit einem Bruch, der am Gewindegrund beginnt, weist 100–500 MΩ auf. Der teilweise durch die Wand reißende Flansch beträgt 1-100 MΩ. Dieser Test gilt nur für Flansche mit einer durchgehenden leitfähigen Schicht und nicht für alle-PFA-Flansche. Die Drehmomenterhaltungsmethode ist die zuverlässigste Felddiagnosemethode für reine PFA-Flansche.

Empfehlungen zur Drehmomentbegrenzung und Leitfaden zur Fehlervermeidung
Die folgende Tabelle enthält empfohlene maximale Drehmomentwerte für typische PFA-Flansch- und Gewindegrößen sowie die Auswirkungen einer Überschreitung dieser Grenzwerte. Die Werte gelten für ein sauberes, trockenes Gewinde ohne Schmierung (geschmierte Gewinde verringern die Reibung und erhöhen die Vorspannung bei gleichem Drehmoment, daher ist eine Drehmomentreduzierung um 20 - 30 % erforderlich). Alle Empfehlungen gelten für PFA bei Raumtemperatur während der Installation. Die Drehmomentwerte sollten um 15 % gesenkt werden, wenn die Flanschtemperatur während der Installation über 40 Grad liegt.

Flansch- oder Fitting-Typ GewindegrößeEmpfohlener Drehmomentbereich (N·m) Drehmomentgrenze (N·m) Folge der Überschreitung des Grenzwerts Erwartete Zyklen bis zur Rissbildung bei Grenzwert PFA-gekapselter Flansch, 50 mm Durchmesser M6 4 bis 6 10 Mäßiges Über-Drehmoment: Spannungsweißwerden am Gewindegrund, 25 bis 35 % Drehmomentverlust in 24 Stunden 500–1.000 Zyklen ΔT=70 Grad
PFA encapsulated flange, 80 mm diameter M8 8-12 18 Moderate to severe Visible crazing at root Torque loss >40 % 200–500 Zyklen
PFA-ummantelter Flansch, Durchmesser 100 mm M10 12–16 22 Schwerwiegend: plastische Verformung der Flanschfläche, Rissbildung beim ersten Gewindegang 50–200 Zyklen
Massiver PFA-Gewindeanschluss (NPT oder BSP) 1/2 Zoll (DN15) 3–5 8 Gewindeabrissrisiko, Spannungsrisse am Gewindegrund in Tagen 10–50 Zyklen (sofortiger Ausfall häufig)
Massiver PFA-Gewindeanschluss 3/4 Zoll (DN20) 5-8 12 Riss im Flansch, Anschluss kann sich an der Schraube festfressen20–100 Zyklen

Um Schäden durch zu hohes{0}Drehmoment zu vermeiden, sind Werkzeugauswahl und Schulung erforderlich.