Serviciul de vid impune solicitări unice asupra etanșărilor încălzitorului PFA. Diferența de presiune-presiunea atmosferică în afara rezervorului (1 bar) față de aproape-vidul din interior (până la 0,01 bar absolut)-creează o forță netă spre exterior asupra ansamblului de etanșare. Pentru o penetrare tipică a încălzitorului cu diametrul de 50 mm, forța totală ajunge la 200–400 N (20–40 kg) încercând să scoată încălzitorul din peretele rezervorului. Simultan, vidul trage orice specie volatilă (apă, solvenți, vapori acizi) din golurile microscopice din etanșare, degradând potențial PFA-ul sau interfața de etanșare. Dintre garniturile filetate, cu flanșă și prin compresie, conexiunea cu flanșă cu o garnitură elastomerică prinsă (FKM sau FFKM) păstrează cel mai bine integritatea încălzitorului PFA sub vid. Fitingul de compresie (tip virolă) funcționează acceptabil pentru un vid moderat (până la 0,1 bar), dar eșuează la un vid mai mare din cauza fluajului PFA. Conexiunea filetată (NPT sau BSP) este nepotrivită pentru orice serviciu de vid, deoarece filetele PFA nu pot menține etanșarea la gaz-la presiune negativă.
Comportamentul etanșării în vid: mecanisme de defecțiune
În vid, mecanismul de etanșare se inversează față de serviciul de presiune. În serviciul cu presiune pozitivă, presiunea internă împinge încălzitorul PFA spre exterior împotriva etanșării, sporind contactul. În vid, presiunea atmosferică externă împinge încălzitorul spre interior, dar diferența de presiune este mult mai mică (1 bar maxim față de . 10 bar posibil în serviciul sub presiune). Modul critic de defecțiune nu este suflare-, ci scurgere prin canale microscopice. Deoarece vidul atrage aer din interiorul rezervorului, orice cale de scurgere din exterior va provoca scurgeri spre interior (aer în rezervor), ceea ce este la fel de inacceptabil în procesele de vid care necesită atmosfere inerte sau puritate chimică.
Pentru conexiunile filetate PFA (NPT sau BSP), etanșarea se bazează pe interferența filetului. PFA este vâscoelastic și se va strecura sub sarcină susținută. La vid, lipsa presiunii interne pentru a presuriza firele pe suprafața de împerechere face ca firele să își relaxeze potrivirea prin interferență. După 24-72 de ore sub vid, o conexiune filetată PFA dezvoltă de obicei o rată de scurgere de 10⁻² până la 10⁻¹ mbar·L/s-inacceptabilă pentru majoritatea aplicațiilor de vid. Etanșantul pentru filet (bandă sau pastă PTFE) oferă o îmbunătățire temporară, dar benzile se strecoară sub vid, iar pasta eliberează compușii volatili care contaminează camera de vid.
Fitingurile de compresie (tip virolă, similare cu Swagelok, dar cu virole PFA) etanșează prin comprimarea unei virole polimerice împotriva tubului PFA și a corpului fitingului. Sub vid, etanșarea inițială poate ține. Cu toate acestea, PFA se strecoară sub compresia susținută a virolei. După 500-2.000 de ore sub vid, virola își pierde 20-40% din forța sa de compresiune. Rata de scurgere rezultată crește de la<10⁻⁵ mbar·L/s (acceptable for high vacuum) to 10⁻³–10⁻² mbar·L/s (unacceptable). Re-tightening the compression nut can restore the seal, but each re-tightening reduces the remaining PFA wall thickness under the ferrule, limiting the number of cycles.
Comparația metodelor de etanșare sub vid
| Metoda de etanșare | Vacuum maxim realizabil (presiune absolută) | Rata de scurgere inițială (mbar·L/s) | Rata de scurgere După 1.000 de ore la 0,01 bar | Eroare legată de-creep? | Rata de eliberare a gazelor (apă, substanțe organice) | Cea mai bună aplicație |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NPT filetat (PFA la metal) | 0,5 bar (vid slab) | 10⁻¹–10⁰ | 10⁰–10¹ (se agravează) | Da, firele se relaxează în câteva zile | Ridicat (degazeuri de etanșare pentru filete) | Nu este recomandat pentru vid |
| Filet cu bandă PTFE | 0,2 bari | 10⁻²–10⁻¹ | 10⁻¹–10⁰ | Da, banda se strecoară | Foarte mare (degazare de bandă) | Numai temporar |
| Fiting de compresie (fierula unică, PFA) | 0,05 bar | 10⁻⁴–10⁻³ | 10⁻³–10⁻² (după 1.000 de ore) | Da, manșonul se furișează | Moderat (excese de gaze din polimerul virolei) | Vid scăzut, vid intermitent |
| Fiting de compresie (ferulă metalică pe PFA) | 0,01 bar | 10⁻⁵–10⁻⁴ | 10⁻⁴–10⁻³ (după 1.000 de ore) | Da, PFA sub manșon se strecoară | Scăzut (ferulă metalică, degajare minimă) | vid mediu; inspectați anual |
| Flanșă cu garnitură elastomerică (FKM) | 10⁻⁵ bar (vid mare) | <10⁻⁶ | <10⁻⁶ | Nu, garnitura menține compresia | Scăzut (rata de degajare FKM 10⁻⁷–10⁻⁶ mbar·L/s·cm²) | Vid mare, procese curate |
| Flanșă cu garnitură elastomerică (FFKM, perfluoroelastomer) | 10⁻⁷ bar (vid ultra-înalt) | <10⁻⁸ | <10⁻⁸ | Nu, FFKM stabil | Foarte scăzut (degasarea FFKM minimă după coacere-) | Sub vid ultra-, substanțe chimice agresive |
| Flanșată cu garnitură metalică (cupru sau aluminiu) | 10⁻⁹ bar | <10⁻¹⁰ | <10⁻¹⁰ | Nu, metalul nu se strecoară | Niciuna (degasarea metalului este neglijabilă după coacere) | Vid extrem (cuptoare cu vid, cercetare) |
| Canelura inelului O-în flanșa PFA (etanșare integrală) | 10⁻³ bar | 10⁻⁵–10⁻⁴ | 10⁻⁴–10⁻³ | Da, PFA se strecoară sub inelul O- | Scăzut | Vid redus, sensibil-la costuri |
Design de conexiune cu flanșă pentru serviciul de vid
Pentru aplicații cu vid până la 0,01 bar (10 mbar absolut), se recomandă o conexiune cu flanșă cu o garnitură FKM prinsă. Flanșa comprimă garnitura dintre o flanșă de rezervă metalică și peretele rezervorului. Încălzitorul PFA are o flanșă integrală (mulată sau sudată). Caracteristicile cheie de proiectare pentru integritatea în vid: (1) garnitura trebuie să fie complet prinsă într-o canelură pentru a preveni extrudarea; (2) forța de compresiune trebuie aplicată cu șuruburi și șaibe metalice, nu numai prin PFA; (3) flanșa PFA ar trebui să aibă o inserție metalică sau un inel de rezervă pentru a distribui sarcina șuruburilor fără a se lipi. Pentru vid sub 0,01 bar (vid mare, 10⁻⁵ mbar sau mai mic), este necesară o garnitură FFKM (Kalrez sau Chemraz) datorită degajării mai mici. Șuruburile flanșei trebuie strânse la o valoare specificată (de obicei 5–10 N·m pentru șuruburile M8) și re-strânse după 24 de ore pentru a compensa curgerea PFA inițială. După re-strângere, etanșarea flanșei rămâne stabilă ani de zile sub vid continuu.
Pentru aplicații cu vid extrem (10⁻⁶ mbar și mai jos), o garnitură metalică (cupru sau aluminiu) comprimată între un încălzitor cu flanșă PFA-și un orificiu metalic al rezervorului este singura metodă fiabilă. Cu toate acestea, garnitura metalică necesită un cuplu ridicat al șuruburilor (20–30 N·m) care poate deteriora flanșa PFA. În astfel de cazuri, încălzitorul trebuie să aibă o flanșă metalică complet încapsulată (PFA supraturnat pe un inel din oțel inoxidabil), astfel încât etanșarea metal-la-metal să nu folosească compresie PFA.
Verificare pe teren pentru instalațiile de vid existente
Pentru un încălzitor existent instalat sub vid care prezintă semne de scurgere (creștere a presiunii în camera de vid, contaminare de la vaporii băii), efectuați un test de scurgere cu heliu. Conectați un detector de scurgeri de heliu la linia de vid al rezervorului și pulverizați heliu în jurul garniturii încălzitorului. O rată de scurgere care depășește 10⁻⁵ mbar·L/s necesită reetanșare. Pentru fitingurile de compresie, prima încercare ar trebui să fie re-strângerea piuliței (creșteți cuplul cu 20% față de valoarea inițială). Dacă scurgerea persistă, înlocuiți manșonul. Pentru conexiunile cu flanșă cu garnituri elastomerice, re-strângerea șuruburilor la specificația originală restabilește adesea integritatea etanșării. Dacă scurgerea continuă după re{10}}strângere, înlocuiți garnitura. Conexiunile cu flanșe pot supraviețui la 5-10 înlocuiri de garnituri pe durata de viață a încălzitorului. Conexiunile filetate sub vid care au scurs nu pot fi reparate în mod fiabil; întregul ansamblu de penetrare trebuie înlocuit cu un design cu flanșă.
Concluzie: cu flanșă cu garnitură prinsă Cel mai bun pentru vid
Pentru păstrarea integrității încălzitorului PFA sub vid, conexiunea cu flanșă cu o garnitură elastomerică prinsă (FKM pentru vid moderat, FFKM pentru vid înalt) este superioară fitingurilor filetate sau de compresie. Conexiunile filetate PFA se strecoară sub vid și se scurg în câteva ore până la zile. Fitingurile de compresie rețin un vid moderat (până la 0,05 bar) inițial, dar trec peste sute de ore, necesitând strângerea periodică -și eventual înlocuire. Conexiunile cu flanșă cu captare adecvată a garniturii și inele metalice de rezervă mențin ratele de scurgere sub 10⁻⁶ mbar·L/s timp de ani de zile sub vid continuu până la 10⁻⁵ bar. Inginerii care specifică încălzitoare PFA pentru service în vid ar trebui să impună conexiuni cu flanșe cu specificații de cuplu și proceduri de re{8}}cuplu. Pentru orice vid sub 0,1 bar absolut, conexiunile filetate PFA ar trebui interzise prin specificații. Costul suplimentar al unei conexiuni cu flanșă (de obicei cu 20–40% mai mult decât filetat) este recuperat prin integritatea fiabilă a vidului și prin eliminarea timpilor de oprire neplanificați pentru întreținerea etanșării. Când nivelul de vid necesită presiuni sub 0,01 bar, garniturile FFKM și inelele metalice de rezervă nu sunt opționale-sunt obligatorii pentru atingerea și menținerea timpului necesar de menținere a vidului.
