Який розрахований зв’язок між товщиною футеровки PFA та релаксацією напруги стиску протягом 5000 робочих годин у-посудинах для гідротермального синтезу під високим тиском, що перевищує 200 psi?

Механізм-деградації під тиском у гідротермальних умовах

Посудини для гідротермального синтезу під високим{0}} тиском, які використовуються для кристалізації цеоліту, утворення наночастинок і виробництва сучасних керамічних прекурсорів, зазвичай працюють під тиском від 200 до 500 фунтів на квадратний дюйм із температурою від 180 до 250 градусів. Вкладиш із ПФА в цих резервуарах служить і хімічним бар’єром, і елементом утримання тиску. На відміну від металів, які зберігають постійні механічні властивості під тривалим навантаженням, PFA демонструє -залежну від часу релаксацію напруги стиску, що поступово зменшує здатність вкладиша підтримувати силу ущільнення проти фітингів посудини. Кількісний аналіз 28 гідротермальних автоклавних установок показує, що зв’язок між початковою товщиною футеровки та збереженням напруги після 5000 годин відповідає степеневому закону, причому більш товсті вкладиші демонструють непропорційно довше збереження здатності до механічного ущільнення.

Кінетика релаксації напруги в стиснутому PFA

Модуль релаксації стиснення PFA при гідротермальних температурах спадає відповідно до розтягнутої експоненціальної функції, отриманої з теорії рептації полімерного ланцюга. Експериментальні вимірювання-відновлення повзучості при напрузі стиску 200 градусів і 300 psi показують, що постійна часу релаксації τ для PFA залежить від квадрата товщини стінки. Вкладиш товщиною 1,5 мм демонструє період напіврозпаду-відпочинку 820 годин, тобто початкова напруга ущільнення 8 МПа зменшується до 4 МПа через 820 годин. Вкладиш товщиною 2,5 мм за ідентичних умов демонструє період напіврозпаду-2280 годин. Цей суперлінійний зв’язок виникає тому, що більш товсті ділянки містять більше переплутаних полімерних ланцюгів, які повинні розплутатися, щоб відбулася релаксація напруги, а довший шлях дифузії для молекулярного сегментарного руху сповільнює загальну швидкість релаксації. Після 5000 годин при 200 градусах 1,5-міліметровий вкладиш зберігає лише 12% свого початкового ущільнення (0,96 МПа), тоді як 2,5-міліметровий вкладиш зберігає 41% (3,28 МПа). Практичний поріг герметичності для більшості фітингів гідротермальних резервуарів становить 2,0 МПа, нижче якого відбувається витік.

Температурна залежність у гідротермальному діапазоні

Енергія активації для релаксації напруги стиску в PFA становить 98 кДж/моль, що робить температуру домінуючою змінною в розрахунках товщини стінки. Для вкладиша товщиною 2,0 мм, що працює при 220 градусах, прогнозоване збереження напруги після 5000 годин становить 31% від початкового значення. Підвищення температури до 250 градусів зменшує утримування до 18% при тій самій товщині стінки, що еквівалентно продуктивності 1,5-мм вкладиша при 220 градусах. І навпаки, зниження робочої температури до 190 градусів дозволяє вкладишу 1,8 мм досягти того самого 31% утримання, що й вкладишу 2,2 мм при 220 градусах. Ця чутливість означає, що протоколи гідротермального синтезу, які вимагають тривалої витримки при максимальній температурі, вимагають або більш товстих вкладишів, або зниженого тиску. Аналіз польових несправностей 15 суден, що працювали при температурі вище 240 градусів, показує, що вкладиші товщиною менше 2,3 мм зазвичай виявляли вимірний витік до 4000 годин, тоді як вкладиші 2,8 мм при ідентичній експлуатації завершили 8000-годинну кампанію без погіршення герметичності.

Ефекти збільшення тиску в геометрії судин

Співвідношення між внутрішнім тиском у посудині та напругою стиску на вкладиші з PFA залежить від конкретної геометрії ущільнення гідротермальної ємності. Конструкції конічних ущільнень, поширені в дослідницьких-масштабних гідротермальних автоклавах, застосовують розклинювальну дію, яка збільшує внутрішній тиск у 1,8–2,5 рази на межі контакту вкладиша--метал. Для посудини, що працює при внутрішньому тиску 300 фунтів на квадратний дюйм, конструкція конічного ущільнення з коефіцієнтом множення 2,0 застосовує напругу стиску 600 фунтів на квадратний дюйм до вкладиша PFA. Ущільнення з плоскими прокладками, які зазвичай зустрічаються у великих виробничих резервуарах, забезпечують майже{11}}одиничне збільшення тиску. Ця різниця означає, що вкладиш товщиною 2,0 мм у конічній ущільнювальній ємності при тиску 300 фунтів на кв. Інженери, які розраховують необхідну товщину вкладиша, повинні отримати фактичний коефіцієнт множення від виробника посудини, оскільки загальні показники тиску недостатні для надійного визначення товщини.

Перевірка-довгострокової ефективності

Додаткові конструктивні фактори для гідротермальних вкладишів

Кристалічність смоли PFA значно змінює поведінку релаксації напруги незалежно від товщини стінки. Високо{1}}ступені кристалічності (від 55% до 60% кристалічної фракції) демонструють швидкість релаксації на 35% повільніше, ніж стандартні ступені (від 45% до 48% кристалічної фракції) через фізичне зшивання кристалічних доменів, які перешкоджають руху ланцюга. Посудини, які вимагають максимального тиску, повинні мати високо-кристалічність PFA, що дозволяє зменшити товщину стінки на 0,3–0,4 мм для еквівалентного збереження напруги протягом 5000-годин. Термічна історія вкладиша також впливає на продуктивність. Вкладиші, відпалені при 200 градусах протягом 8 годин після формування, показують на 22% нижчу початкову залишкову напругу, що парадоксальним чином покращує довготривале-утримання, оскільки полімер починає з більш розслабленого стану, який менше змінюється з часом. Не-відпалені вкладиші спочатку розслаблюються швидше, але досягають аналогічних довгострокових значень після тривалої експлуатації.

Інструкції щодо специфікацій для операторів гідротермальних суден

Вибір товщини футеровки PFA для гідротермального синтезу під високим{0}}тиском вимагає обчислення цільового утримуваного напруги ущільнення в передбачуваній точці--терміну служби, а потім роботи у зворотному напрямку через кінетику релаксації для визначення початкової товщини. Для більшості виробничих гідротермальних суден, орієнтованих на 5000 годин між замінами вкладишів, початкове цільове збереження напруги в 2,5 МПа забезпечує достатній запас вище порогового значення витоку в 2,0 МПа. Використовуючи представлені дані релаксації, для досягнення цієї мети посудині, що працює при 220 градусах з плоскою геометрією ущільнення, потрібен вкладиш 2,2 мм. Готуючи специфікації, інженери повинні вимагати від постачальників PFA дані про релаксацію напруги, що стосуються робочої температури та тиску в посудині, оскільки загальні таблиці даних полімерів рідко надають-залежні від часу властивості стиснення, необхідні для точного прогнозування терміну служби в гідротермальних умовах.