Utilizarea unui încălzitor cu imersie PFA ca suport mecanic-de exemplu, ținerea unei plăci deflectoare, susținerea unui senzor de temperatură sau acționând ca un element structural-impune un stres static susținut asupra mantalei polimerului și a flanșei de montare. Sub suficientă solicitare, PFA trece de la fluaj liniar viscoelastic (recuperabil, rata de deformare independentă de timp-) la fluaj ne-liniar (deformare accelerată care duce la ruptură). Debutul fluajului ne-liniar are loc atunci când solicitarea aplicată depășește aproximativ 20–30% din limita de curgere pe termen scurt a polimerului-la temperatura de funcționare. Pentru PFA la 100 de grade (limita de curgere aproximativ 12–15 MPa), pragul critic de tensiune este de 2,5–4,5 MPa. Un încălzitor folosit ca suport cu o tensiune de încovoiere care depășește 3 MPa va intra în fluaj ne-liniar în decurs de 500–2.000 de ore, ceea ce duce la deformare permanentă, subțierea peretelui în punctele de sprijin și eventuala ruptură a mantalei. Previziunea debutului necesită calcularea tensiunii maxime susținute din sarcina mecanică aplicată și compararea acesteia cu pragul de fluaj dependent de temperatură-.
Flux liniar vs. non-liniar în PFA
În regimul vâscoelastic liniar (stresul sub prag), PFA se deformează la o rată de fluaj constantă: ε=σ × J(t), unde J(t) este conformitatea la fluaj (dependent de timp-dar independent de stres-). Deformarea rămâne recuperabilă la descărcare, iar materialul nu acumulează daune permanente. Pentru un încălzitor PFA care suportă o masă de 2 kg (forță de 20 N) distribuită pe o lungime de 10 cm, efortul de încovoiere într-un tub cu diametrul de 25 mm cu perete de 2 mm este de aproximativ σ=M × y / I. Pentru o grindă susținută simplu cu sarcină centrală, momentul de încovoiere maxim M=F×L/{13}}·{1}/{13}}. Modulul secțiunii Z=π × (D⁴ - d⁴)/(32×D) ≈ 1,5e-6 m³. Tensiunea σ=M/Z=0.5 / 1,5e{-6=0.33 MPa{-cu mult sub prag. Un astfel de încălzitor va suporta sarcina pe termen nelimitat, fără fluaj neliniar.
În regimul de fluaj ne-liniar (tensiunea peste prag), rata de fluaj devine dependentă de stres-și accelerează în timp: ε=A × σ^n × t^m, unde n > 3 și m > 1. Materialul intră în fluaj terțiar, unde se formează goluri, grosimea peretelui se reduce local, concentrându-se pe o sarcină transversală mai mică{5} eșec. Pentru un încălzitor PFA care suportă o masă de 20 kg (200 N), efort de încovoiere=3.3 MPa-la prag pentru 100 de grade . La această solicitare, fluajul ne-liniar începe după 1.000–2.000 de ore. Tubul se va înclina vizibil (deformare de 5-10 mm) și va continua să se încline în timp. Subțierea peretelui la raza exterioară a arcului reduce grosimea locală de la 2,0 mm la 1,5–1,7 mm în 5.000 de ore, creând o cale de permeație.
Pragurile de curgere în funcție de temperatură-
| Temperatura de funcționare (grade) | Limita de curgere a PFA (MPa, compensare 0,2%) | Prag de fluaj ne-liniar (20–30% din randament) | Stres critic pentru ruptură de fluaj de 1.000 de ore | Sarcina tipică pe tubul de 25 mm (N) până la atingerea pragului* |
|---|---|---|---|---|
| 20 de grade (camera) | 25–28 | 5,0–8,5 MPa | 12–15 MPa | 300–500 N (30–50 kg) |
| 50 de grade | 18–22 | 3,5–6,5 MPa | 8-10 MPa | 200–350 N (20–35 kg) |
| 80 de grade | 14–17 | 3,0–5,0 MPa | 6–8 MPa | 150–250 N (15–25 kg) |
| 100 de grade | 12–15 | 2,5–4,5 MPa | 5–7 MPa | 120–200 N (12–20 kg) |
| 120 de grade | 9–12 | 2,0–3,5 MPa | 4-5 MPa | 80–150 N (8–15 kg) |
| 140 de grade | 7–10 | 1,5–3,0 MPa | 3–4 MPa | 60–100 N (6–10 kg) |
| 150 de grade | 6–8 | 1,2–2,5 MPa | 2-3 MPa | 40–80 N (4–8 kg) |
*Pentru o grindă susținută simplu (L=200 mm) cu sarcină centrală pe tub de perete de 25 mm OD × 2 mm.
Prezicerea debutului utilizând principiul suprapunerii timpului-temperaturii
Pentru o anumită tensiune aplicată, timpul până la apariția fluajului ne-liniar urmează o relație Arrhenius: t_debut=t_ref × exp[E_a/R × (1/T - 1/T_ref)], unde E_a este energia de activare pentru fluaj (aproximativ 80–100 kJ), iar temperatura de referință pentru t_ref P stres. Pentru stres la pragul de randament de 20%, t_ref la 100 de grade este de aproximativ 1.500 de ore. La 120 de grade , cu aceeași tensiune absolută (nu procentul de randament), t_debut=1,500 × exp[{-90.000/8,314 × (1/{393 - 1/373)]=1,500 × exp[-} (-}1 × ({-})=1,500 × exp[-10.825 × (-0,00014)]=1,500 × exp(1.52)=1,500 × 4.57=6,850 de ore mai lungă, deoarece limita de curgere scade odată cu temperatura, astfel încât același procent de efort absolut de curgere este mai mare. Acest rezultat contraintuitiv înseamnă că debutul neliniar al fluajului este determinat de stresul absolut relativ la randamentul dependent de temperatură, nu numai de temperatură.
Metodă practică de predicție: Măsurați sau calculați efortul de tracțiune maxim susținut în mantaua PFA în punctul de sprijin (de obicei, fibra exterioară a tubului la suportul de sprijin). Împărțiți această solicitare la limita de curgere la temperatura de funcționare pentru a obține raportul de tensiuni R=σ_aplicat / σ_randament(T). Dacă R < 0,2, fluajul ne-liniar nu va apărea în decurs de 10.000 de ore. Dacă R=0.2–0,3, debutul are loc la 1.000–5.000 de ore. Dacă R=0.3–0,4, debut la 100–1.000 de ore. Dacă R > 0,4, curgere ne-liniară imediată și defecțiune în decurs de 100 de ore.
Verificare pe teren și atenuare
For an existing heater used as a mechanical support, measure deflection (bow) annually. A deflection increasing at an accelerating rate indicates non-linear creep. For a 1 m long heater, an initial bow of 2–3 mm that grows to 8–10 mm within 12 months signals onset. Replace the heater and redesign the support to reduce load. Mitigation strategies include: adding a separate support rod (metal) to bear the mechanical load while the heater only provides heat; using a larger diameter heater (32 mm vs. 25 mm increases section modulus by 60–80%, reducing stress); installing the heater vertically (axial load, not bending) where PFA has much higher creep resistance (compressive creep threshold >10 MPa la 100 de grade); sau folosind un încălzitor cu manșon metalic-(PFA peste miez metalic) unde metalul suportă sarcina mecanică. În orice caz, utilizarea unui încălzitor PFA ca suport mecanic ar trebui să fie o ultimă soluție. Comportamentul la fluaj ne-liniar al polimerului îl face nefiabil pentru o activitate structurală susținută, în special peste 80 de grade .
Concluzie: Mențineți stresul susținut sub 20% din limita de curgere
Debutul fluajului ne-liniar în încălzitoarele PFA utilizate ca suporturi mecanice are loc atunci când solicitarea susținută la întindere depășește 20-30% din limita de curgere a polimerului-dependentă de temperatură. Pentru un încălzitor de perete tipic de 25 mm diametru, 2 mm la 100 de grade, acest prag este de 2,5–4,5 MPa, corespunzând unei sarcini mecanice de 120–200 N (12–20 kg) într-o configurație simplă de îndoire. Sub acest prag, încălzitorul prezintă fluaj viscoelastic liniar cu deformare permanentă minimă pe parcursul anilor de funcționare. Peste acest prag, fluajul ne-liniar se inițiază în decurs de 100–5.000 de ore, ceea ce duce la curbarea progresivă, subțierea peretelui și eventuala ruptură a tecii. Inginerii care solicită încălzitoare să servească drept suporturi structurale ar trebui fie: (1) să mențină tensiunile aplicate sub pragul de curgere de 20% prin diametre mai mari sau deschideri mai scurte; (2) utilizați încărcarea verticală (axială) mai degrabă decât îndoirea; sau (3) să furnizeze suporturi metalice separate care suportă sarcina mecanică, permițând încălzitorului să își servească numai funcția de încălzire primară. Cea mai obișnuită defecțiune a câmpului de la fluaj ne-liniar apare atunci când un încălzitor este utilizat ca suport de deflector sau aplicații de bare de amestec-în care sarcina mecanică este necuantificată și depășește adesea pragul. Cuantificați sarcina înainte de a proiecta instalația. O măsurare simplă la scară a greutății componentei suportate și un calcul al tensiunii de încovoiere durează 10 minute și previne o defecțiune care ar putea costa mii de oprire și înlocuire.
