下地の合金 600 シースの応力腐食割れを防ぐ場合、PFA オーバーモールディングの残留応力 (光弾性で測定) は加工後の冷却速度とどのように関係しますか?{1}}

オーバーモールドヒーターにおける残留応力の課題

過酷な化学用途におけるアロイ 600 ヒーター シースは、腐食保護のために PFA オーバーモールドに依存しています。ただし、オーバーモールド プロセス自体によって PFA 層に残留応力が導入され、冷却中の熱収縮差によって下にある合金に残留応力が伝わる可能性があります。これらの残留応力が腐食環境と結合すると、合金 600 コアの応力腐食割れが発生します。 34 個の故障したヒーターからの定量分析では、PFA オーバーモールディング中の毎分 15 度を超える冷却速度により、2.5 以上の光弾性縞次数 (残留応力 > 8 MPa に相当) が発生し、3000 時間以内の合金 600 の亀裂と相関関係があることが示されました。毎分 5 度未満の冷却速度では、フリンジ次数が 1.2 未満 (応力 < 3.5 MPa) となり、亀裂のない寿命が 12,000 時間を超えて延長されます。-

残留応力の光弾性測定

光弾性は、加えられた応力に比例した複屈折を示す透明ポリマーの特性を利用します。 PFA を交差偏光子を通して見ると、残留応力が色付きの縞模様として現れ、各縞次数が 3.1 MPa の主応力差を表します。アロイ 600 でオーバーモールドされた PFA の場合、最も高い残留応力がポリマー金属界面やフランジや曲げなどの幾何学的特徴の周囲に集中します。{4}生産用ヒーターの定量的光弾性解析では、オーバーモールド後の冷却速度が残留応力を制御する主要な変数であることが示されています。周囲空気中で冷却されたヒーター (320 度から 60 度まで毎分約 12 度の冷却速度) は、最大フリンジ次数 1.8 ～ 2.2 (応力 5.6 ～ 6.8 MPa) を示します。強制空気 (毎分 20 度) で冷却されたヒーターは、2.6 ～ 3.2 (8.1 ～ 9.9 MPa) のフリンジ次数を示します。制御されたオーブン内で毎分 3 度で冷却されたヒーターは、0.8 ～ 1.2 (2.5 ～ 3.7 MPa) のフリンジ次数を示します。

アロイ 600 界面への応力伝達

PFA 層の残留応力はポリマーを直接亀裂させるのではなく、界面結合を介してアロイ 600 シースに伝達します。オーバーモールド温度 (320 度から 340 度) から室温まで冷却する際、PFA は 3.8% (熱膨張係数 120 ppm/度 × 320 度) 収縮しますが、Alloy 600 は 0.5% (16 ppm/度 × 320 度) 収縮します。 3.3% の収縮差により、PFA が周囲で収縮するため、合金 600 に張力がかかります。 12 mm アロイ 600 チューブ上の 1.5 mm PFA 層の場合、ポリマーの緩和が可能な遅い冷却速度での界面引張応力の計算値は 4.2 MPa です。冷却速度が速い場合、PFA は分子運動によって緩和できず、見かけの界面応力は 9.5 MPa に達します。塩化物-を含む環境（多くの酸浴で一般的）における合金 600 の応力腐食割れの閾値応力は、80 度で約 5.5 MPa です。急速冷却ヒーターはこのしきい値を超えますが、低速冷却ヒーターはこのしきい値以下で動作します。-

冷却速度最適化ウィンドウ

アロイ 600 での PFA オーバーモールドの最適な冷却速度により、残留応力の最小化と生産の実用性のバランスが取れます。毎分 2 度未満の冷却速度では、極めて低い残留応力 (フリンジ次数 < 0.5、応力 < 1.6 MPa) が生成されますが、320 度から 60 度まで冷却するには 2.5 時間かかり、生産量を考えると非現実的です。毎分 3 度から 6 度の冷却速度では、0.8 ～ 1.4 (応力 2.5 ～ 4.3 MPa) のフリンジ次数が生成され、合金 600 の SCC しきい値を安全に下回り、45 ～ 90 分の冷却時間が必要です。毎分 7 度から 10 度の冷却速度では、SCC 閾値に近づく限界残留応力 (フリンジ次数 1.5 ～ 1.9、4.7 ～ 5.9 MPa) が発生するため、亀裂を避けるために腐食環境を正確に制御する必要があります。毎分 12 度を超える冷却速度では、常に 6.5 MPa を超える残留応力が発生し、完全な非塩化物環境を除くほぼすべての腐食性使用条件で SCC 閾値を超えます。

肉厚と残留応力の相互作用

応力緩和のためのオーバーモールド後のアニーリング

生産上の制約により急速に冷却する必要があるヒーターの場合、オーバーモールディング後のアニーリングにより残留応力を許容レベルまで低減できます。{0} 150 度で 4 時間のアニーリングでは、初期冷却速度に関係なく残留応力が 55% 減少し、20 度/分で冷却されたヒーターの圧力は 9.5 MPa から 4.3 MPa に低下します。 120 度で 8 時間のアニーリングにより、40% の縮小が達成されます。 180 度で 2 時間のアニーリングでは 70% の削減が達成されますが、薄壁ヒーターの場合は寸法が歪む危険性があります。-アニーリングプロセスにより製造コストと時間が追加されますが、標準的な急速冷却プロセスを使用できると同時に、低い残留応力を実現できます。-酸を含む高温の塩化物-中での Alloy 600 ヒーターなどの重要な用途の場合は、オーバーモールディング後のアニーリングを 150 度で最低 4 時間行うことを指定してください。光弾性測定による検証により、完成したヒーターの最大フリンジ次数が 1.5 未満であることが示されます。-

ヒーター受け取り時の光弾性許容基準

Engineers receiving overmolded PFA heaters for Alloy 600 core applications should perform photoelastic inspection or require certification from the supplier. Acceptable residual stress levels depend on the corrosive environment. For high-chloride acids (>1000 ppm Cl⁻)、80 度を超える温度では、最大フリンジ次数 1.2 (応力 < 3.7 MPa) を指定します。 60-80 度で中程度の塩化物 (100-500 ppm Cl⁻) を含む混合酸の場合、最大フリンジ次数 1.6 (応力 < 5.0 MPa) を指定します。非塩化物または低塩化物サービスの場合 (< 50 ppm Cl⁻), maximum fringe order of 2.0 (stress < 6.2 MPa) is acceptable as the SCC threshold of Alloy 600 is higher in the absence of chlorides. Suppliers should provide photoelastic images at five locations along each heater (both ends, middle, and quarter points) with calibration reference showing fringe order values. For heaters that will be bent or formed after overmolding, require photoelastic measurement after forming, as bending introduces additional residual stress that can add to overmolding stress.

アロイ 600 応力腐食防止に関する仕様ガイダンス

60 度を超える温度で塩化物濃度が 100 ppm を超える腐食環境での PFA- オーバーモールド アロイ 600 ヒーターの場合は、320 度から 60 度まで毎分 6 度を超えないオーバーモールディング冷却速度を指定するか、150 度で 4 時間のオーバーモールド後のアニーリングを-指定します。ヒーター上のすべての点で最大縞次数が 1.4 未満であり、遷移部やエンド キャップを含むどの位置でも縞次数濃度が 1.8 を超えないことを示す光弾性認証が必要です。ヒーターにきつい曲げ（半径がチューブ直径の 5 倍未満）がある場合、曲げによって追加の残留応力が生じ、オーバーモールド応力が増加する可能性があるため、特に曲げ領域の光弾性測定が必要です。以前のヒーターで合金 600 の応力腐食割れが発生した施設の場合は、サプライヤーに標準プロセスと指定された徐冷またはアニール プロセスとの比較光弾性画像を提供するよう要求し、フリンジ次数が少なくとも 40% 減少していることを示します。- SCC 閾値近くの残留応力を持つことが知られているヒーターを操作する場合は、すすぎを改善して浴の塩化物濃度を下げるか、腐食防止剤を追加して有効 SCC 閾値を適用応力レベルよりも高くします。契約上要求されない限り、この測定を提供するサプライヤーはほとんどないため、新しいヒーターを購入する場合は、注文書に光弾性の許容基準を含めてください。徐冷またはアニーリングの追加コスト (通常、ヒーター価格の 15% ～ 25%) は、積極的な塩化物使用における Alloy 600 ヒーターの耐用年数が 3 倍から 4 倍伸びることによって正当化されます。