PFA シースが 130 度の湿った酸蒸気中で老化するときの漏電電流の増加を予測するにはどうすればよいですか?

湿った酸蒸気 (HCl、H2SO4、HNO3、または 130 度の混合酸) 中での PFA ヒーターの経年劣化により、シースの電気絶縁抵抗が減少し、漏れ電流が増加します。上昇はアレニウスの式のように加速され、漏れ電流は酸の種類と濃度に応じて 1000-2000 時間ごとに 2 倍になります。新しい PFA ヒーターの漏れ電流は、乾燥空気中 130 度で < 0.01 mA です。湿った HCl 蒸気 (濃度 30%、130 度) 中で 2000 時間放置すると、漏れ電流が 0.1 ～ 0.5 mA に増加する可能性があります。 5,000 時間では、電流は 1 ～ 5 mA まで上昇し、一般的な GFCI トリップ レベル (5 ～ 30 mA) に達します。上昇を予測できれば、迷惑なトリップや汚染を引き起こす前に交換できます。予測モデルでは、浸透速度、酸伝導率、および PFA と金属の界面に導電性コーティングを生成するのに必要な時間を考慮します。

経年劣化による PFA 漏れ電流のメカニズム
Leakage currents travel from the metal heating element (120–480 VAC) to ground over two parallel paths: (1) through the PFA bulk (volume resistivity, ∼10¹⁶ Ω·cm for new PFA) and (2) along the PFA-metal contact (surface conductivity, modified by moisture and corrosion products). New PFA, volume resistivity >10^15 オーム-cm、漏れ電流<0.001 micro-A-negligible. As the heater ages acid vapours infiltrate through the PFA wall (see Article #35 for HCl permeation rates. Acid will condense at the PFA–metal interface (if the interface temperature is below the dew point of the acid). The condensed acid provides a thin layer of electrolyte of conductivity based on acid concentration and temperature. The metal core corrodes slowly, and the metal ions that are produced increase the conductivity of the electrolyte. The leakage current is I=V/R where R decreases with increasing the conductive film.

漏れ電流の上昇率は、フィックの法則に支配される酸の透過率によって支配されます。 130 度で 2 mm PFA を通過する HCl 透過率は 0.5 ～ 1.5 g/m²・日です。 5000 時間 (208 日) の間に浸透した酸の総量=0.5 – 1.5 × 0.5 m2 (平均ヒーター面積) × 208=52 – 導電性コーティングを形成するのに十分な界面に到達する 156 キロの HCl-。

漏れ電流予測モデル
加速老化試験 (130 度 / 湿った酸蒸気 / 2 mm PFA 壁) からの経験的データは、次の予測式 I(t)=IInitial * exp(t/τ) を導き出します。ここで、τ (漏れ電流の 2 倍の時定数) は酸の種類によって異なります。

乾燥空気 (コントロール): τ > 100 000 h (大幅な増加なし)

湿った HCl (10 ～ 30 %) τ=1、500 ～ 2,500 時間。

湿潤 H2SO4 (50-70%) τ=800-1500 時間

湿った HNO3 (30-50%): τ=2,000-3,000 時間

湿った混合酸 (王水など): τ=500-1000 時間

HF ウェット (10 ～ 50%) τ=1,000 ～ 2,000 時間

130℃、30% HCl 蒸気中での PFA ヒーターの場合、t= 2,000 時間。t=0 での漏れ電流は 0.01 mA です。 t=2,000 h では I=0.01 × e 1=0.027 mA。 t=4,000 時間で、私は=0.01 exp(2)=0.074 mA になりました。 t=6000 時間で、I=0.01×exp(3)=0.20 mA。 I=0.01 × exp(5)=1.48 mA、t=10,000 時間。これは、一般的な 5 ～ 30 mA のトリップ制限を依然として下回っており、インターフェイスの漏れによる GFCI のトリップが最初の故障モードである可能性が低いことを示しています。その代わりに、最初はコアの腐食または焦げが発生します (記事 #65 を参照)。漏れ電流は、0.5 ～ 1.0 mA を超える場合にのみ関連する予測因子となり、これはかなりのインターフェースの劣化を示します。

実用的な予測と監視
湿った酸蒸気サービスの場合は、100 時間の稼働時間後のヒーターのベースライン漏れ電流を決定します (初期の吸湿を安定させるため)。 GFCI テスターまたは絶縁抵抗計を漏れ電流モードで使用してテストします。その値を記録します (通常は 0.01 ～ 0.10 mA)。四半期指標。半ログ用紙にプロットします。-指数曲線を当てはめて、漏れがいつ 5 mA (または施設の警報レベル) に達するかを予測します。特定の酸については、上の表から τ を選択します。予測（急速な上昇）が測定された場合は、ヒーターに損傷がないか確認してください。

したがって、4,000 時間で測定漏れ電流が 0.2 mA (予測値 0.074 mA) のヒーターの場合、実際のτ=4,000 / ln(0.2/0.01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 時間-は予測よりも速くなります。このヒーターは、今後 2000 時間以内に予防交換の予定です。

漏れ電流の増加を軽減するための緩和策
漏れ電流の増加を遅らせるには:

より厚い PFA 壁 (2.5 ～ 3.0 mm) を使用すると、透過率を 40 ～ 60 % 低減できます。

動作温度の低下 (10 度低下するごとに透過率が半分になります)。

結露を避けるため、低温部分を露点以上に保ちます (記事 #67 を参照)。

冷却セクションに窒素パージ (乾燥 N 2、0.1 ～ 0.2 bar) を加えて、凝縮する前に浸透した酸を除去します。

記事 #87 に従って、アニールされた PFA (結晶化度が高く、透過性が低い) を指定します。

結論: HCl 中の漏れ電流は 1,500 ～ 2,500 時間ごとに 2 倍になります。
130 度の湿った酸蒸気中での PFA ヒーターの漏れ電流は、時間の経過とともに指数関数的に増加します。倍加時定数は、HCl の場合は τ=1,500-2,500 時間、H 2 SO 4 の場合は 800-1,500 時間、混合酸の場合は 500 ～ 1,000 時間です。 500 ～ 1,000 時間ごとの漏れ電流測定により、漏れが臨界レベル (GFCI トリップの場合は 5 mA、早期警告の場合は 1 mA) に達する前に残りの寿命を予測できます。ほとんどのアプリケーションでは、漏れ電流の発生速度は中程度であり、GFCI の早期トリップを引き起こすことはなく、むしろコアの腐食や焦げを引き起こします。ただし、抵抗率の高い流体 (DI 水、超純水) では、0.5 mA の漏れ電流さえも許容できない場合、シース劣化の最大の早期予測手段は漏れ電流の監視です。 0.5 mA で警報を発する連続漏電監視装置を提供します。指数関数的フィットにより、次の 2,000 時間以内に 1.0 mA が予測される場合に交換を予測します。旅行前: モニター、モデル、交換。それが予知保全です。