Как спрогнозировать увеличение электрического тока утечки по мере старения оболочки из PFA во влажных парах кислоты при температуре 130 градусов?

Сопротивление электрической изоляции оболочки уменьшается по мере старения нагревателя из PFA в парах влажной кислоты (HCl, H2SO4, HNO3 или смеси кислот при 130 градусах), а ток утечки увеличивается. Рост ускоряется по уравнению Аррениуса-: ток утечки удваивается каждые 1000-2000 часов в зависимости от типа и концентрации кислоты. Ток утечки нового нагревателя PFA при температуре 130 градусов в сухом воздухе составляет < 0,01 мА. Через 2000 часов во влажном паре HCl (концентрация 30%, 130 градусов) ток утечки может увеличиться до 0,1–0,5 мА. Через 5000 часов ток может достигать 1–5 мА, достигая обычных уровней срабатывания GFCI (5–30 мА). Если вы можете предсказать подъем, вы можете заменить его до того, как он вызовет нежелательное срабатывание или загрязнение. Модель прогнозирования учитывает скорость проникновения, проводимость кислоты и время, необходимое для образования проводящего покрытия на границе раздела PFA-металл.

Механизмы тока утечки старения PFA
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 Ом-см, ток утечки<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.

Скорость нарастания тока утечки определяется скоростью проникновения кислоты, которая подчиняется закону Фика. Скорость проникновения HCl через PFA толщиной 2 мм при 130 градусах составляет 0,5–1,5 г/м²·сут. Общее количество кислоты, проникшей за 5000 часов (208 дней)=0.5–1,5 × 0,5 м2 (средняя площадь нагревателя) × 208=52–156 кг HCl, достигшей границы раздела-достаточно для образования проводящего покрытия.

Модель прогнозирования тока утечки
Эмпирические данные испытаний на ускоренное старение (130 градусов / влажные пары кислоты / стенка из PFA 2 мм) приводят к следующему уравнению прогнозирования:

Сухой воздух (контроль): τ > 100 000 ч (без существенного увеличения)

Мокрая HCl (10–30 %) τ=1, 500–2500 ч.

Влажная H2SO4 (50-70%) τ=800-1500 часов

Влажная HNO3 (30-50%): τ=2,000-3000 ч.

Влажная смесь кислот (например, царская водка): τ=500-1000 ч.

ВЧ мокрый (10–50%) τ=1,000–2000 ч

t=2 000 часов для нагревателя из PFA в парах 30 % HCl при 130 C. Ток утечки при t =0 составляет 0,01 мА. При t=2,000 ч I=0.01 × e 1=0.027 мА. При t=4000 часов I=0.01 exp(2)=0.074 мА. В t=6000 часов I=0.01×exp(3)=0.20 мА. I=0.01 × exp(5)=1.48 мА при t=10 000 часов. Это все еще ниже типичных пределов отключения 5–30 мА, что указывает на то, что отключение GFCI из-за утечки интерфейса вряд ли будет первым видом отказа. Вместо этого изначально происходит коррозия или подгорание сердечника (см. Статью № 65). Ток утечки является важным предиктором только в том случае, если он превышает 0,5–1,0 мА, что указывает на значительную деградацию интерфейса.

Практическое прогнозирование и мониторинг
Для работы с влажными парами кислоты определите базовый ток утечки для нагревателей после 100 часов работы (чтобы стабилизировать начальное поглощение влаги). Проверьте тестером GFCI или мегомметром в режиме тока утечки. Запишите его значение (обычно от 0,01 до 0,10 мА). Квартальный показатель. Постройте график на полу-бревенчатой ​​бумаге. Постройте экспоненциальную кривую, чтобы спрогнозировать, когда утечка достигнет 5 мА (или уровня тревоги для вашего предприятия). Выберите τ из таблицы выше для конкретной кислоты. Если измеренное значение прогнозируется (быстрый рост), проверьте нагреватель на наличие повреждений.

Таким образом, для нагревателя с измеренным током утечки 0,2 мА при 4000 часах (прогнозируемое 0,074 мА) фактическое τ=4,000 / ln(0,2/0,01)=4,000 / ln(20)=4,000 / 3.0=1,333 часа- быстрее, чем прогнозировалось. Этот обогреватель подлежит профилактической замене в течение следующих 2000 часов.

Смягчение для уменьшения увеличения тока утечки
Чтобы замедлить рост тока утечки:

Скорость проникновения можно снизить на 40–60 %, если использовать более толстую стенку из PFA (2,5–3,0 мм).

Сниженная рабочая температура (скорость проникновения составляет половину на каждые 10 градусов снижения).

Во избежание образования конденсата поддерживайте холодную часть выше точки росы (см. статью №67).

Добавьте продувку азотом (сухой N 2, 0,1–0,2 бар) в холодную секцию для удаления проникшей кислоты перед конденсацией.

В статье № 87 укажите отожженный PFA (большая кристалличность, меньшая проницаемость).

Вывод: Ток утечки в HCl удваивается каждые 1500–2500 часов.
Ток утечки нагревателей PFA во влажных парах кислоты при температуре 130 градусов экспоненциально увеличивается со временем. Константы времени удвоения составляют τ=1,500-2500 ч для HCl, 800-1500 ч для H 2 SO 4 и 500-1000 ч для смешанных кислот. Измерения тока утечки каждые 500–1000 часов позволят спрогнозировать оставшийся срок службы до того, как утечка достигнет критического уровня (5 мА для отключения GFCI, 1 мА для раннего предупреждения). В большинстве случаев скорость развития тока утечки умеренная и приводит не к преждевременному отключению GFCI, а скорее к коррозии или подгоранию сердечника. Однако для жидкостей с высоким удельным сопротивлением (деионизированная вода, сверхчистая вода), когда даже ток утечки 0,5 мА неприемлем, лучшим ранним предиктором разрушения оболочки является мониторинг тока утечки. Обеспечьте непрерывный контроль утечек с сигналом тревоги на уровне 0,5 мА. Прогнозируйте замену, когда экспоненциальная аппроксимация прогнозирует 1,0 мА в течение следующих 2000 часов. Перед поездкой: монитор, модель, замена. Это профилактическое обслуживание.