¿Por qué un calentador de PFA con una tapa soldada podría pasar una prueba de explosión hidráulica a 10 bar pero fallar después de 200 ciclos térmicos de 20 grados a 150 grados debido a la fatiga de la línea de soldadura?

Debido a que la línea de soldadura es propensa a la fatiga en lugar de a la sobrepresión estática, un calentador de PFA con una tapa soldada puede pasar una prueba de estallido hidráulico a 10 bar (presión estática) pero falla después de solo 200 ciclos térmicos de 20 grados a 150 grados. Al aplicar una presión interna constante durante la prueba de estallido, la tensión se distribuye uniformemente por toda la soldadura. Debido a la diferencia de expansión entre el tubo (extruido, orientado) y la tapa del extremo (moldeada, isotrópica), los ciclos térmicos producen tensiones de corte y tracción cíclicas que se concentran en el contacto de soldadura. Las microfisuras comienzan en la línea de soldadura, se extienden por toda la soldadura después de 100 a 500 ciclos y provocan fugas o rupturas a presiones muy por debajo del valor de explosión estático. Tal vulnerabilidad no existe en una tapa de extremo abocinada (sin soldadura), que soporta entre 5.000 y 10.000 ciclos de temperatura. Incluso si la clasificación de presión estática es suficiente, use tapas abocardadas (consulte el Artículo n.º 34) en lugar de tapas soldadas para aplicaciones de ciclos de calor.

Mecanismo de fatiga de la línea de soldadura
Una tapa moldeada-por compresión (isotrópica, cristalinidad del 40 al 45 %) y un tubo extruido (orientado, cristalinidad del 45 al 50 %) se unen mediante una tapa terminal soldada. Existen tres defectos intrínsecos en la interfaz de soldadura: (1) tensión residual del enfriamiento diferencial; (2) peso molecular reducido debido al deterioro térmico inducido por la soldadura-; y (3) una muesca afilada en la raíz de la soldadura (concentrador de tensión). La tensión circular, que actúa de manera uniforme, es el principal tipo de tensión bajo presión interna estática. A corto plazo, la soldadura puede tolerar entre 8 y 12 bar. La interfaz del tubo de la tapa-experimenta un corte cíclico bajo el ciclo térmico debido a la discrepancia significativa en el coeficiente de expansión térmica entre el PFA (110–120 ppm/grado) y el núcleo metálico (14–17 ppm/grado). Con cada ciclo, la línea de soldadura se dobla hacia adelante y hacia atrás como una bisagra. Las grietas por fatiga aparecen en la raíz de la soldadura después de 100 a 500 ciclos. La falla ocurre a presiones tan bajas como 2 a 4 bar cuando una grieta alcanza un umbral de longitud y se extiende por toda la soldadura durante un ciclo de presión posterior.

Eficiencia comparativa de tapas de extremo acampanadas y soldadas
Tipo de tapa final Presión en el momento de la falla después de 200 ciclos (bar) Presión de estallido estática (bar) a 25 grados Ciclos hasta la primera grieta (20–150 grados, 5 grados/min) Ciclos hasta la fuga (20–150 grados) Modo de falla dominante
Soldadura manual 10-14 50–150 100–300 2-4 Fatiga de la línea de soldadura
Automatizado, soldado (atmósfera de N2) 12–16 150–300 300–600 3–5Fatiga de la línea de soldadura
Soldado + post-recocido (200 grados, 4 horas) 14–18 300–600 600–1,200 4–6Línea de soldadura más vecina
Acampanado (sin costura) 20–25 5,000–8,000 10,000–15,000 10–12 (aún alto) Fatiga del material a granel
Acampanado + recocido 22–28 8,000–12,000 15,000–20,000 12–15 Ninguno en la vida real
Ejemplo en el campo
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 ciclos). La tapa abocinada aumentó el costo del calentador en 50 (1550 a 152 000 en reemplazos de emergencia).

Por qué la prueba de explosión es engañosa
La resistencia-a corto plazo de la soldadura bajo carga estática se determina mediante una prueba de estallido hidráulico realizada a temperatura ambiente. Las fuerzas de corte cíclicas de la expansión térmica no son replicadas por éste. En tensión estática, una tapa soldada puede tener el 80% de la resistencia del material base, pero sólo entre el 20 y el 30% de la vida a fatiga. Aunque la prueba de estallido es un control de calidad esencial (para encontrar defectos graves), no puede predecir la vida útil del ciclo térmico.

Inspección de fatiga de la línea de soldadura
Examine la línea de soldadura (el anillo visible en la punta del calentador) después de 100 a 200 ciclos térmicos. Utilice una lupa de 10 a 20 aumentos. Buscar:

Incluso fisuras circunferenciales finas de 0,1 mm-de largo

A lo largo de la soldadura, blanqueamiento (blanqueamiento por tensión)

poca deformidad o abultamiento

Reemplace el calentador antes de que falle por completo si aparece alguno de estos síntomas.

En conclusión, aunque las tapas soldadas pasan las pruebas de estallido, fallan demasiado pronto bajo el ciclo térmico.
Un calentador de PFA con una tapa soldada puede pasar una prueba de explosión hidráulica a 10 bar, pero la fatiga en la línea de soldadura hace que falle después de solo 200 ciclos térmicos. Mucho antes de que se supere la clasificación de presión estática, las grietas comienzan y se propagan porque la línea de soldadura concentra la tensión cíclica de la expansión térmica diferencial. Se requieren tapas de extremo acampanadas (sin costura) para cualquier aplicación que implique ciclos de calor, incluso un ciclo por día. Solo los servicios estáticos, de baja-temperatura o sin-ciclismo deben utilizar tapas soldadas. Los ciclos térmicos indican que la soldadura es débil, pero la prueba de estallido indica que es fuerte. No confíes en el estallido, sino en los ciclos. Soldarlo sólo cuando sea necesario y abocardarlo. La propina determina cuánto durará su calentador. Una punta de por vida es una punta acampanada. Un reloj que hace tictac es una punta soldada. Seleccione destello.