كيف يمكن التنبؤ بالعمر المفيد المتبقي لسخان PFA بعد حوادث الحريق الجافة المتكررة في محطة الشطف؟

تُستخدم سخانات الغمر المغلفة PFA في محطات الشطف في المعالجة الرطبة لأشباه الموصلات وخطوط الطلاء الكهربائي وعمليات التنظيف الدقيقة للحفاظ على درجات حرارة الحمام بين 60 درجة و90 درجة. يعد تصريف الخزان والتحميل الجزئي ودورة نظام الفائض أمرًا شائعًا ويسبب تغيرات غير منتظمة في مستوى السائل في هذه المحطات. عندما يكون مستوى السائل أقل من طول السخان النشط، يفقد غلاف PFA تبريده الرئيسي ويتحول إلى وضع الحريق الجاف-. لا تحتوي السخانات المطلية بـ PFA على مؤشر مرئي فوري لارتفاع درجة الحرارة الذي تفعله السخانات المغطاة بالمعدن عندما تكون في عملية جافة من خلال التوهج باللون الأحمر. أثناء التشغيل الجاف، يسخن البوليمر الفلوري داخليًا وترتفع درجة حرارة السطح الخارجي من 90-100 درجة عادية إلى 250-300 درجة خلال 60-120 ثانية. يتسبب كل حدث حريق جاف- في حدوث ضرر تراكمي لطبقة PFA: الإجهاد الناتج عن التمدد الحراري، والانهيار الجزيئي، وإنشاء فراغات مجهرية. للتنبؤ بالعمر الإنتاجي المتبقي بعد العديد من الحوادث، من الضروري تقييم مدى خطورة كل حدث حريق جاف- وتطبيق نموذج تراكم يعتمد على حركية تحلل أرينيوس.

جاف-آليات الضرر الحراري لأحداث الحريق
يحافظ PFA على سلامته الميكانيكية حتى حوالي 260 درجة للتعرض لفترة قصيرة ولكن التعرض لفترة طويلة فوق 260 درجة يؤدي إلى ثلاث آليات للتحلل. الأول هو الانشطار الحراري للعمود الفقري للبوليمر. فوق 280 درجة، تبدأ روابط الكربون-والفلور في التكسر بمعدلات يمكن اكتشافها، مما يؤدي إلى شظايا منخفضة الوزن-الجزيئي-تنتشر خارج مصفوفة البوليمر. يؤدي هذا الإجراء إلى خفض متوسط ​​الوزن الجزيئي للـ PFA، ويضعف قوة الشد والاستطالة عند الكسر. أظهرت أبحاث قياس الوزن الحراري المختبري أن PFA عند 300 درجة يمكن أن يتطاير بنسبة 0.5-1.0% من كتلته كل ساعة. تبين أن مقاومة المادة لانتشار الكسر تقل بشكل كبير عن طريق نار جافة لمدة 10 دقائق - عند درجة حرارة 310 درجة، مما يؤدي إلى انخفاض في الوزن الجزيئي بحوالي 5-8%. والخطوة الثانية هي أكسدة أي مجموعات نهائية متبقية أو معالجة الملوثات. على الرغم من أن PFA مقاوم للغاية للأكسدة مقارنة بالهيدروكربونات، فإن درجات الحرارة المرتفعة جدًا التي يتم الوصول إليها أثناء الحرق الجاف تسمح للأكسجين المحيط بالتفاعل مع نهايات السلسلة غير المستقرة لإنتاج فلوريد الكربونيل والأنواع الأخرى التي تحفز المزيد من الانهيار. تظهر طبقة الأكسدة هذه على شكل تغير في اللون البني الفاتح-على السطح، وعادةً ما يكون ذلك خلال أول 2-3 دورات للنار الجاف.

المسار الثالث والأكثر ضررًا من الناحية الهيكلية هو من خلال تكوين الفراغ من المواد المتطايرة المتبقية. يحتوي PFA على رطوبة ضئيلة (100-500 جزء في المليون) ممتصة من البيئة المحيطة، وكميات صغيرة من مذيبات التصنيع المحتبسة. في العملية المغمورة النموذجية، يتم إذابة هذه المواد المتطايرة في مصفوفة البوليمر. في النار الجافة-، تؤدي الزيادة السريعة في درجة الحرارة إلى تحويل الرطوبة إلى بخار عند ضغوط أكبر من قوة الخضوع للبوليمر، مما يؤدي إلى إنشاء فراغات كروية صغيرة بمتوسط ​​أقطار من 5 إلى 20 ميكرومتر. تعمل هذه الفراغات على تركيز الضغوط الميكانيكية أثناء دورة الحرارة اللاحقة وتكون بمثابة مواقع بداية لتكوين الكسر. كشف الفحص المجهري الإلكتروني لأغلفة PFA بعد ثلاث حوادث حريق جاف لمدة 5 دقائق عند 280 درجة عن تركيزات فارغة تتراوح بين 100-300 فراغ لكل ملليمتر مربع في الثلث الداخلي من سمك الجدار، الأقرب إلى قلب تسخين المعدن. كل فراغ يقلل من المقطع العرضي الفعال للحمل ويعمل أيضًا على رفع الضغط. مع زيادة كثافة الفراغ بما يزيد عن 500 فراغ/مم2 تقريبًا، ينخفض ​​عمر الكلال للمادة أثناء التدوير الحراري من 10000 دورة إلى أقل من 500 دورة.

تقدير حجم الضرر لكل حادثة حريق جاف-.
لا تؤدي جميع حوادث الحرائق الجافة- إلى نفس الدمار. يتم تحديد معدل التدهور من خلال الحد الأقصى لدرجة حرارة الغلاف التي تم تحقيقها والفترة الزمنية التي تقضيها فوق العتبات الحرجة. في حالة السخان المغلف القياسي PFA- الذي يعمل بقدرة 5 وات/سم² في حمام مائي بدرجة حرارة 80 درجة، تزداد درجة حرارة الغلاف بعد منحنى يمكن التنبؤ به عند إزالته من السائل. في أول 30 ثانية من التشغيل الجاف يرتفع السطح الخارجي من 80 درجة إلى 180 درجة. يتم رفع درجة الحرارة من 180 درجة إلى 260 درجة من 30 إلى 90 ثانية. بعد 90 ثانية، تقترب درجة الحرارة من نطاق انصهار PFA (305-315 درجة) ويجب تفعيل الحماية الداخلية من درجة الحرارة الزائدة للسخان. حدث حريق جاف-في غضون 30 ثانية (درجة حرارة الذروة<180°C) causes little permanent damage, since the PFA remains far below its thermal breakdown threshold. A 30-60 s (peak temperature 180-240°C) event results in modest annealing of residual stress but little chain scission or void formation. The destructive regime begins after 60 seconds dry operation when the surface temperature is higher than 260°C. Based on the Arrhenius model, the acceleration factor for the degradation of PFA is around 12 for every 20°C increase above 260°C. In practice, a dry-fire event at 300°C for 2 minutes results in about identical cumulative degradation as 24 minutes at 260°C.

يقدم مؤشر أضرار الحرائق الجافة (DDI)- مقياسًا عمليًا لمقارنة الأحداث. تعرض DDI=t ×exp[(T الذروة -T ref )/T 0 ] حيث T ref =260 درجة، T 0 =18 درجة (استنادًا إلى طاقة التنشيط للتدهور الحراري لـ PFA) والتعرض t هو الوقت الذي يزيد عن 200 درجة بالساعات. بالنسبة لحدث واحد بدرجة T الذروة=280 لمدة 5 دقائق (0.083 ساعة)، DDI=0.083 × exp[(20)/18]=0.083 × 3.04=0.25. حدوث أكثر خطورة، عند 310 درجة لمدة 10 دقائق (0.167 ساعة) يؤدي إلى DDI=0.167 x exp [ (50)/18]=0.167 x 16.0=2.67. يشير اختبار العمر المتسارع لـ 50 سخانًا في دورات الحريق الجاف-المتحكم فيها إلى أن الحد التراكمي لـ DDI قبل الفشل يبلغ حوالي 15-20 لغمد PFA التقليدي مقاس 1.5 مم في خدمة محطة الغسيل. لا يوجد تدهور واضح للسطح عند قيم DDI التراكمية أقل من 5 ولا تزال الخصائص الميكانيكية ضمن 90٪ من القيم الأصلية. لوحظ تغير لون السطح بين DDI 5 و12، ويتم تقليل الاستطالة عند الكسر بنسبة 30-50% ومن المتوقع أن يبدأ الكسر بعد 1000-2000 دورة حرارة إضافية. إذا كان DDI أعلى من 15، فإن المدفأة تكون في حالة عالية الخطورة حيث قد يحدث أي إجهاد حراري إضافي، بما في ذلك دورة الطاقة النموذجية، من خلال تشقق الجدار والتسرب الكهربائي.

طرق تقدير العمر المتبقي بعد حدث الحريق الجاف.
إن أدق توقعات العمر المتبقي للسخان الذي تم تشغيله بالتشغيل الجاف-وليس لديه توثيق للحادثة هي من خلال الاختبار المدمر للوحدة المضحية. قسم محيطيًا غمد PFA في ثلاثة مواقع: في منتصف الطول الساخن، على بعد 5 سم من الطرف البارد، وفي أي مكان يُظهر تغيرًا في اللون. لاحظ المقطع العرضي-عند تكبير 50–100x. قم بحساب الفراغات لكل مليمتر مربع في النصف الداخلي من سمك الجدار. تشير كثافة الفراغ التي تقل عن 50 فراغًا/مم2 إلى تلف متراكم متواضع (DDI <5). كثافة من 50 إلى 200 فراغ/مم2 تقابل ضررًا معتدلًا (DDI 5–12). الكثافة الأعلى من 200 فراغ/مم2 تقابل ضررًا كبيرًا (DDI > 12). أيضًا، قم بإجراء اختبار الانحناء على شريط عريض مقاس 10 مم من مادة الغلاف بعد الإزالة من الانحناءات بدرجة قلب المعدن . 180 على PFA، أو تلف أصلي أو منخفض، دون كسر شياق مقاس 5 مم. ضرر متوسط-كسور مادية بعد 90-120 درجة من الانحناء. المواد ذات الكسور العالية الضرر عند ثنيها بأكثر من 30-45 درجة.

يمكن إجراء التقييم في-الموقع عن طريق-الاختبار الميداني غير المدمر. ومع ذلك، فإن دقة الاختبار الميداني أقل. باستخدام مقياس ميغا أوم-، قم بقياس مقاومة العزل الكهربائي بين عنصر التسخين والأرض عند جهد 500 فولت تيار مباشر. المقاومة العازلة لسخان PFA الجديد (الجاف) تزيد عن 1000 ميجا أوم. يتم تقليل ذلك عن طريق المساحات المجهرية ومنتجات التحلل المتفحمة بعد أضرار الحرائق الجافة. تشير القراءات التي تتراوح بين 100 و500 ميجا أوم إلى ضرر معتدل، على الرغم من أنه يمكن استخدام النظام بأمان مع مراقبة إضافية. إذا كانت القراءة بين 10 و 100 م؟ الضرر واسع النطاق والفشل وشيك. إذا كانت القراءة أقل من 10 ميجا أوم، فيجب استبدال السخان على الفور نظرًا لأن الحماية من الأخطاء الأرضية- قد لا يتم تشغيلها بشكل موثوق عند هذه القيم. أثناء اختبار الطاقة التي يتم التحكم فيها{20}، استخدم جهاز تصوير حراري مع وضع المدفأة في وضع مغمور جزئيًا إلى مستوى محدد. قارن درجة حرارة سطح الجزء الجاف -المحترق بدرجة حرارة الجزء المجاور الذي كان تحت الماء في الأحداث السابقة. يشير فرق درجة الحرارة الذي يزيد عن 15 درجة مئوية عند نفس مدخلات الطاقة إلى انخفاض انتقال الحرارة بسبب تراكم الفراغات أو تدهور السطح. ومراقبة هذا الفارق في درجات الحرارة مع مرور الوقت، فإن ارتفاع 5 درجات شهرياً يعني زيادة التدهور.

دليل تقييم الأضرار التراكمية والاستبدال
يقدم الجدول التالي إطار عمل لاتخاذ القرار بشأن سخانات PFA في محطات الشطف مع سجل الحرائق الجافة المسجل أو المقدر، ونتائج الاختبار التشخيصي، ومدى أهمية العملية. تعتمد جميع التوصيات على كون السخان خاليًا من أي ضرر مادي واضح، مثل الاحتراق أو التشقق.

الجفاف الموثق-تاريخ الحريق أو مقاومة العزل التراكمي DDI (500 فولت تيار مستمر) كثافة الفراغ (الفراغات/مم²) الإجراء الموصى به والعمر المتبقي المتوقع
لا يوجد حريق جاف معروف-، أو حدث فردي<30 seconds (DDI < 1) >1,000 MΩ <20 Normal operation Life expectancy is greater than 20,000 operating hours. Special monitoring: None.
1–3 نبضات مدة كل منها 30–90 ثانية (DDI 1–5) 500–1000 MΩ 20–50 استمر في التشغيل.