溶接されたエンド キャップを備えた PFA ヒーターは、10 bar での油圧破裂テストに合格するのに、20 度から 150 度までの 200 度の熱サイクル後に溶接線疲労により不合格となるのはなぜですか?

溶接線は静的過圧ではなく疲労を受けやすいため、溶接されたエンド キャップを備えた PFA ヒーターは 10 bar (静圧) での油圧破裂試験に合格する可能性がありますが、20 度から 150 度までの熱サイクルをわずか 200 回行うだけで故障します。破裂試験中に一定の内部圧力を加えることで、応力が溶接部全体に均一に分散されます。チューブ (押出成形、配向) とエンド キャップ (成形、等方性) の膨張の違いにより、熱サイクルにより溶接接触部に集中する周期的なせん断応力と引張応力が発生します。微小亀裂は溶接線から始まり、100 ～ 500 サイクル後に溶接部全体に広がり、静的破裂値をはるかに下回る圧力で漏れまたは破裂を引き起こします。このような脆弱性は、5,000 ～ 10,000 回の温度サイクルに耐えるフレア エンド キャップ (溶接なし) には存在しません。静圧定格が十分である場合でも、ヒートサイクル用途には溶接キャップの代わりにフレアキャップ (記事 #34 を参照) を使用してください。

ウェルドライン疲労のメカニズム
圧縮成形されたキャップ (等方性、結晶化度 40 ～ 45%) と押出成形されたチューブ (配向、結晶化度 45 ～ 50%) が溶接されたエンド キャップによって接合されています。{0}}溶接界面には 3 つの固有欠陥が存在します。(1) 冷却差による残留応力。 (2) 溶接による熱劣化による分子量の減少-。 (3) 溶接ルートの鋭いノッチ (応力集中部)。静的内圧下での主な応力は、均一に作用するフープ応力です。短期的には、溶接は 8 ～ 12 bar に耐えることができます。キャップ-の界面は、PFA (110 ～ 120 ppm/度 ) と金属コア (14 ～ 17 ppm/度 ) の間の熱膨張係数の大きな差異により、熱サイクル下で周期的なせん断を受けます。サイクルごとに、ウェルド ラインがヒンジのように前後に曲がります。 100 ～ 500 サイクル後に溶接ルートに疲労亀裂が発生します。破壊は、亀裂がしきい値の長さに達し、その後の圧力サイクル中に溶接部全体に広がると、2 ～ 4 bar の低い圧力で発生します。

フレアエンドキャップと溶接エンドキャップの効率の比較
エンドキャップの種類 200 サイクル後の破損時の圧力 (bar) 25 度での静的破裂圧力 (bar) 最初の亀裂までのサイクル (20 ～ 150 度、5 度/分) 漏れまでのサイクル (20 ～ 150 度 ) 主な破損モード
手動溶接 10-14 50–150 100–300 2-4 溶接線疲労
自動溶接（N2雰囲気） 12–16 150–300 300–600 3–5溶接線の疲労
溶接 + ポストアニール (200 度、4 時間)- 14–18 300–600 600–1、200 4–6溶接線と隣接
フレア（シームレス） 20–25 5,000–8、000 10,000–15、000 10–12（まだ高い）バルク材料疲労
フレア + アニール 22–28 8,000–12、000 15,000–20、000 12–15 現実にはなし
現場での例
PFA heaters with welded end caps were used in a batch reactor. Before being installed, every heater passed a hydrostatic test at 10 bar. Twice a day, the reactor cycled between 20°C and 150°C (about 700 cycles annually). One heater resulted in a ground fault after 4 months (about 240 cycles). A circumferential crack near the weld line was discovered during inspection. With the same heater body and wall thickness, the facility moved to flared end caps. There were no end cap failures after five years (>3,500サイクル）。フレアキャップにより、ヒーターのコストが 50 増加しました (緊急交換では 1550 から 152,000)。

バーストテストが欺瞞的な理由
静的荷重下での溶接部の短期強度は、室温で実施される水圧破裂試験によって決定されます。{0}}熱膨張による周期的なせん断力は再現されません。静的張力では、溶接キャップは母材の 80% の強度を持ちますが、疲労寿命は 20 ～ 30% しかありません。バーストテストは（重大な欠陥を見つけるための）重要な品質チェックですが、それによって熱サイクル寿命を予測することはできません。

ウェルドライン疲労検査
100 ～ 200 回の熱サイクル後にウェルド ライン (ヒーター先端に見えるリング) を調べます。 10 ～ 20 倍の拡大鏡を使用します。検索する：

長さ 0.1 mm- の微細な円周亀裂でも

溶接部に沿ってホワイトニング（応力ホワイトニング）

変形や膨らみが少ない

これらの症状が現れた場合は、完全に故障する前にヒーターを交換してください。

結論として、溶接キャップは破裂試験に合格しても、熱サイクル下ではすぐに故障します。
溶接されたエンド キャップを備えた PFA ヒーターは、10 bar での油圧破裂試験に合格できますが、溶接線の疲労により、わずか 200 回の熱サイクルで故障します。溶接線には熱膨張差による周期応力が集中するため、静圧定格を超えるずっと前に亀裂が発生し、広がります。フレア (シームレス) エンド キャップは、たとえ 1 日 1 サイクルであっても、熱サイクルを伴うあらゆる用途に必要です。溶接キャップは、静的、低温、または非サイクリング サービスのみで使用してください。-熱サイクルは溶接が弱いことを示しますが、破裂テストは溶接が強いことを示します。バーストではなくサイクルを信頼してください。必要な場合のみ溶接してフレアします。ヒーターの持続時間はチップによって決まります。生涯使えるチップはフレアチップです。時を刻む時計は先端が溶接されています。フレアを選択します。