Usługa próżniowa powoduje wyjątkowe obciążenie uszczelek grzejników PFA. Różnica ciśnień-ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz zbiornika (1 bar) w porównaniu z bliską-próżnią wewnątrz (do 0,01 bara bezwzględnego)-wytwarza wypadkową siłę zewnętrzną działającą na zespół uszczelki. Dla typowego penetracji grzałki o średnicy 50 mm, całkowita siła przy wyrywaniu grzałki ze ściany zbiornika sięga 200–400 N (20–40 kg). Jednocześnie próżnia wyciąga wszelkie lotne substancje (wodę, rozpuszczalniki, opary kwasu) z mikroskopijnych szczelin w uszczelce, potencjalnie degradując PFA lub powierzchnię styku uszczelnienia. Spośród uszczelek gwintowanych, kołnierzowych i złączek zaciskowych połączenie kołnierzowe z uwięzioną uszczelką elastomerową (FKM lub FFKM) najlepiej chroni integralność grzejnika PFA w próżni. Złączka zaciskowa (z tulejką) działa zadowalająco w przypadku umiarkowanej próżni (do 0,1 bara), ale nie działa przy wyższej próżni z powodu pełzania PFA. Połączenie gwintowe (NPT lub BSP) nie nadaje się do żadnego zastosowania próżniowego, ponieważ gwinty PFA nie są w stanie utrzymać gazoszczelności-pod podciśnieniem.
Zachowanie uszczelnienia w próżni: mechanizmy awarii
Pod próżnią mechanizm uszczelniający odwraca działanie od ciśnienia. Przy dodatnim ciśnieniu ciśnienie wewnętrzne wypycha grzejnik PFA na zewnątrz w stronę uszczelki, poprawiając kontakt. W warunkach próżni zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne wpycha grzejnik do środka, ale różnica ciśnień jest znacznie mniejsza (maksymalnie 1 bar w porównaniu z . 10 barem możliwym w trybie ciśnieniowym). Krytycznym trybem awarii nie jest wydmuch-ale wyciek przez mikroskopijne kanały. Ponieważ próżnia pobiera powietrze z wnętrza zbiornika, jakakolwiek droga wycieku z zewnątrz spowoduje wyciek do wewnątrz (powietrze do zbiornika), co jest równie niedopuszczalne w procesach próżniowych wymagających atmosfery obojętnej lub czystości chemicznej.
W przypadku połączeń gwintowych PFA (NPT lub BSP) uszczelnienie opiera się na wciskaniu gwintu. PFA jest lepkosprężysty i będzie pełzał pod długotrwałym obciążeniem. W próżni brak wewnętrznego ciśnienia dociskającego gwint do współpracującej powierzchni powoduje, że gwinty rozluźniają swoje pasowanie wciskowe. Po 24–72 godzinach w próżni w przypadku gwintowanego połączenia PFA poziom nieszczelności wynosi zwykle od 10⁻² do 10⁻¹ mbar·L/s-niedopuszczalny w większości zastosowań próżniowych. Uszczelniacz gwintów (taśma lub pasta PTFE) zapewnia chwilową poprawę, ale taśmy pełzają pod próżnią, a pasta odgazowuje lotne związki, które zanieczyszczają komorę próżniową.
Złączki zaciskowe (typu tulejkowego, podobnego do Swagelok, ale z tulejkami PFA) uszczelniają poprzez dociśnięcie polimerowej tulejki do rurki PFA i korpusu złączki. W próżni początkowe uszczelnienie może wytrzymać. Jednakże PFA pełza pod wpływem długotrwałego ściskania tulei. Po 500–2 000 godzin w próżni okucie traci 20–40% swojej siły ściskającej. Powstały współczynnik wycieku wzrasta z<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.
Porównanie metod uszczelniania w próżni
| Metoda uszczelniania | Maksymalna osiągalna próżnia (ciśnienie absolutne) | Początkowa szybkość wycieku (mbar·L/s) | Stopień nieszczelności po 1000 godzin przy ciśnieniu 0,01 bara | Pełzanie-Powiązana awaria? | Szybkość odgazowania (woda, substancje organiczne) | Najlepsza aplikacja |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gwintowane NPT (PFA do metalu) | 0,5 bara (słaba próżnia) | 10⁻¹–10⁰ | 10⁰–10¹ (pogarsza się) | Tak, nici rozluźniają się w ciągu kilku dni | Wysoki (odgazowanie szczeliwa do gwintów) | Nie zalecany do próżni |
| Gwintowane taśmą PTFE | 0,2 bara | 10⁻²–10⁻¹ | 10⁻¹–10⁰ | Tak, taśma się skrada | Bardzo wysoki (odgazowanie taśmy) | Tylko tymczasowe |
| Złączka zaciskowa (pojedyncza tuleja, PFA) | 0,05 bara | 10⁻⁴–10⁻³ | 10⁻³–10⁻² (po 1000 godz.) | Tak, okucie pełza | Umiarkowane (odgazowanie polimeru tulei) | Niska próżnia, przerywana próżnia |
| Złączka zaciskowa (okucie metalowe na PFA) | 0,01 bara | 10⁻⁵–10⁻⁴ | 10⁻⁴–10⁻³ (po 1000 godz.) | Tak, PFA pod okuciem pełza | Niski (metalowa tuleja, minimalne odgazowanie) | Średnia próżnia; sprawdzać co roku |
| Kołnierzowe z uszczelką elastomerową (FKM) | 10⁻⁵ bar (wysoka próżnia) | <10⁻⁶ | <10⁻⁶ | Nie, uszczelka utrzymuje kompresję | Niski (stopień odgazowania FKM 10⁻⁷–10⁻⁶ mbar·L/s·cm²) | Wysoka próżnia, czyste procesy |
| Kołnierz z uszczelką elastomerową (FFKM, perfluoroelastomer) | 10⁻⁷ bar (ultra-wysoka próżnia) | <10⁻⁸ | <10⁻⁸ | Nie, FFKM stabilny | Bardzo niski (minimalne odgazowanie FFKM po wypaleniu-) | Bardzo-wysoka próżnia i agresywne chemikalia |
| Kołnierzowe z uszczelką metalową (miedzianą lub aluminiową) | 10⁻⁹ bar | <10⁻¹⁰ | <10⁻¹⁰ | Nie, metal nie pełza | Brak (odgazowanie metalu po wypaleniu jest znikome) | Ekstremalna próżnia (piece próżniowe, badania) |
| Rowek na pierścień uszczelniający typu O-w kołnierzu PFA (integralna uszczelka) | 10⁻³ bar | 10⁻⁵–10⁻⁴ | 10⁻⁴–10⁻³ | Tak, PFA przedostaje się pod pierścień uszczelniający | Niski | Niska próżnia,-wrażliwa na koszty |
Konstrukcja połączenia kołnierzowego do obsługi próżni
Do zastosowań próżniowych do 0,01 bara (absolutnie 10 mbar) zalecane jest połączenie kołnierzowe z uszczelką FKM. Kołnierz ściska uszczelkę pomiędzy metalowym kołnierzem zapasowym a ścianą zbiornika. Nagrzewnica PFA posiada integralny kołnierz (formowany lub spawany). Kluczowe cechy konstrukcyjne zapewniające integralność próżni: (1) uszczelka musi być całkowicie uchwycona w rowku, aby zapobiec wyciskaniu; (2) siłę ściskającą należy przyłożyć za pomocą metalowych śrub i podkładek, a nie samego PFA; (3) kołnierz PFA powinien mieć metalową wkładkę lub pierścień podporowy, aby rozłożyć obciążenie śruby bez pełzania. W przypadku podciśnienia poniżej 0,01 bara (wysoka próżnia, 10⁻⁵ mbar lub mniej) wymagana jest uszczelka FFKM (Kalrez lub Chemraz) ze względu na mniejsze odgazowanie. Śruby kołnierza należy dokręcić określoną wartością (zwykle 5–10 N·m w przypadku śrub M8) i-dokręcić ponownie po 24 godzinach, aby skompensować początkowe pełzanie PFA. Po ponownym-dokręceniu uszczelka kołnierza pozostaje stabilna przez lata w ciągłej próżni.
W przypadku zastosowań w ekstremalnej próżni (10⁻⁶ mbar i poniżej) jedyną niezawodną metodą jest zastosowanie metalowej uszczelki (miedzianej lub aluminiowej) ściśniętej pomiędzy grzejnikiem kołnierzowym PFA-a metalowym otworem zbiornika. Jednakże metalowa uszczelka wymaga dużego momentu dokręcania (20–30 N·m), który może uszkodzić kołnierz PFA. W takich przypadkach grzejnik powinien mieć całkowicie zamknięty metalowy kołnierz (PFA nałożony na pierścień ze stali nierdzewnej), tak aby uszczelnienie metal-do-metalu nie podlegało kompresji PFA.
Weryfikacja terenowa istniejących instalacji próżniowych
W przypadku istniejącej nagrzewnicy zainstalowanej w próżni, która wykazuje oznaki nieszczelności (rosnące ciśnienie w komorze próżniowej, zanieczyszczenie oparami kąpieli), należy przeprowadzić próbę szczelności helem. Podłącz detektor nieszczelności helu do przewodu podciśnieniowego zbiornika i spryskaj helem wokół uszczelki grzejnika. Nieszczelność przekraczająca 10⁻⁵ mbar·L/s wymaga ponownego uszczelnienia. W przypadku złączy zaciskowych pierwszą próbą powinno być ponowne-dokręcenie nakrętki (zwiększenie momentu o 20% w stosunku do wartości początkowej). Jeżeli wyciek nie ustępuje, wymienić tuleję. W przypadku połączeń kołnierzowych z uszczelkami elastomerowymi-ponowne dokręcenie śrub zgodnie z pierwotną specyfikacją często przywraca integralność uszczelnienia. Jeśli po{10} ponownym dokręceniu wyciek nadal występuje, wymień uszczelkę. Połączenia kołnierzowe mogą wytrzymać 5–10 wymian uszczelek w całym okresie eksploatacji nagrzewnicy. Nieszczelnych połączeń gwintowych pod próżnią nie można wiarygodnie naprawić; cały zespół przepustu należy wymienić na konstrukcję kołnierzową.
Wniosek: kołnierz z uszczelką uwięzioną, najlepszy do próżni
Aby zachować integralność grzejnika PFA w próżni, połączenie kołnierzowe z uwięzioną uszczelką elastomerową (FKM dla umiarkowanej próżni, FFKM dla wysokiej próżni) jest lepsze niż złącza gwintowane lub zaciskane. Gwintowane połączenia PFA pełzają pod próżnią i przeciekają w ciągu kilku godzin lub dni. Złączki zaciskowe utrzymują początkowo umiarkowane podciśnienie (do 0,05 bara), ale ulegają pełzaniu w ciągu setek godzin, co wymaga okresowego-ponownego dokręcania i ewentualnej wymiany. Połączenia kołnierzowe z odpowiednim uchwytem uszczelki i metalowymi pierścieniami podtrzymującymi utrzymują współczynniki wycieków poniżej 10⁻⁶ mbar·L/s przez lata przy ciągłej próżni do 10⁻⁵ bar. Inżynierowie określający nagrzewnice PFA do zastosowań próżniowych powinni narzucić połączenia kołnierzowe z podaniem specyfikacji momentu obrotowego i procedur- ponownego dokręcania momentu obrotowego. W przypadku próżni bezwzględnej poniżej 0,1 bara połączenia gwintowe z PFA powinny być zabronione przez specyfikację. Dodatkowy koszt połączenia kołnierzowego (zwykle 20–40% większy niż gwintowany) jest rekompensowany dzięki niezawodnej integralności próżni i eliminacji nieplanowanych przestojów na konserwację uszczelnienia. Gdy poziom podciśnienia wymaga ciśnienia poniżej 0,01 bara, uszczelki FFKM i metalowe pierścienie zabezpieczające nie są opcjonalne-są obowiązkowe w celu osiągnięcia i utrzymania wymaganego czasu utrzymywania próżni.
