Suporturile de susținere a încălzitorului PFA-utilizate pentru a poziționa încălzitoarele în rezervoare sau pentru a susține echipamente auxiliare-suportă ocazional sarcini mecanice susținute la temperaturi ridicate. La 180 de grade (aproape de limita de utilizare continuă a PFA de 200 de grade), ruptura prin fluaj devine modul de defectare dominant pentru suporturile încărcate. Pentru un suport încărcat la 5 MPa (tipic pentru un încălzitor de 10 kg atârnat de un suport cu secțiune transversală de 50 mm²), durata de viață realistă la rupere prin fluaj este de 500–2.000 de ore, în funcție de calitatea PFA, cristalinitate și calitatea producției. Aceasta este mult mai scurtă decât durata de viață tipică a încălzitorului (10.000-30.000 de ore). Prin urmare, suporturile PFA nu trebuie utilizate pentru sarcini susținute peste 2 MPa la 180 de grade. Pentru sarcini de peste 2 MPa, utilizați suporturi metalice cu acoperire PFA sau suporturi metalice separate. Datele de ruptură prin fluaj de mai jos oferă îndrumări pentru proiectarea în siguranță.
Mecanisme de ruptură prin fluaj la 180 de grade
La 180 de grade , PFA este deasupra tranziției sale sticloase (Tg=-15 grade ), dar sub punctul său de topire (305 grade ). Polimerul prezintă fluaj viscoelastic: sub sarcină constantă, se deformează continuu. În stadiul de fluaj primar (primele 0-100 de ore), tulpina crește cu o rată descrescătoare. În fluaj secundar (100–1.000 de ore), rata de deformare este constantă. În fluajul terțiar (peste 1.000 de ore), deformarea se accelerează pe măsură ce se formează goluri și se reduce-secțiunea transversală efectivă, ceea ce duce la ruptură. Pentru un suport PFA încărcat la 5 MPa la 180 de grade, timpul obișnuit pentru a ajunge la fluaj terțiar este de 200-500 de ore; ruptura are loc la 500–2.000 de ore. Durata de viață la rupere urmează parametrul Larson-Miller: LMP=T × (C + log t), unde T este temperatura (K), t este timpul de rupere (ore) și C este o constantă a materialului (≈20 pentru PFA). Pentru un anumit LMP, o temperatură mai mare reduce viața exponențial.
Cristalinitatea PFA afectează puternic rezistența la fluaj. PFA cu-cristalinitate ridicată (55–65%) are o durată de viață de 2–3 ori mai mare decât PFA cu-cristalinitate scăzută (35–45%). Parantezele recoapte (coacerea post-turnare la 200 de grade timp de 4 ore) prezintă, de asemenea, o durată de viață mai lungă (consultați articolul #41). Geometria suportului contează: colțurile ascuțite concentrează stresul și reduc durata de viață cu 50-80% în comparație cu modelele cu raze.
Creep Rupture Life prin stres și temperatură
| Temperatura (grade) | Stresul (MPa) | Grad PFA | cristalinitate (%) | Viața la rupere (ore, tipic) | Modul de eșec |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Standard | 45 | 8,000–15,000 | Deformare excesivă (fluaj) |
| 180 | 3 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Ruptură de fluaj |
| 180 | 4 | Standard | 45 | 1,000–2,500 | Rupere cu formare de goluri |
| 180 | 5 | Standard | 45 | 500–1,500 | Rupere rapidă |
| 180 | 6 | Standard | 45 | 200–500 | Deviație imediată, ruptură |
| 180 | 5 | Cristalinitate-înaltă (recoace) | 60 | 1,200–2,500 | 2× durata de viață față de standard |
| 180 | 5 | Cristalinitate-scăzută (necoace) | 38 | 300–800 | Durată de viață de 50% față de standard |
| 160 | 5 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Temperatura mai scăzută prelungește viața |
| 200 | 3 | Standard | 45 | 500–1,500 | Aproape limita superioară pentru PFA |
| 150 | 5 | Standard | 45 | 6,000–12,000 | Acceptabil pentru sarcini intermitente |
Recomandări de proiectare sigură
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5.000 de ore). Calculați tensiunea ca σ=F / A, unde F este sarcina (N) și A este aria secțiunii transversale-minimă a consolei (mm²). Pentru o sarcină de 50 N (≈5 kg), aria necesară A=F/σ=50 / 2=25 mm². Un suport cu o secțiune transversală-de 5 mm × 5 mm (25 mm²) este minim. Pentru o sarcină de 100 N (10 kg), aria minimă este de 50 mm² (7 mm × 7 mm). Acestea sunt dimensiuni minime; parantezele mai mari oferă o marjă de siguranță.
Pentru sarcini de peste 2 MPa la 180 de grade, utilizați un suport metalic (oțel inoxidabil, titan sau Hastelloy) cu un strat de PFA sau un manșon pentru a preveni atacul chimic. Suportul metalic suportă sarcina; PFA oferă rezistență chimică. Alternativ, sprijiniți încălzitorul de sus (tensionare) mai degrabă decât de jos (compresie) folosind o tijă de metal prin centrul încălzitorului. PFA este mai puternic la compresie decât la tensiune; durata de viață la fluaj la compresiune este de 2–3 ori mai mare decât durata de viață la fluaj la tracțiune pentru aceeași solicitare.
Pentru suporturile PFA existente care funcționează la solicitări ridicate, verificați anual pentru deformare. Măsurați dimensiunile originale ale suportului și comparați-le cu curentul. O deformare permanentă care depășește 2 mm sau orice fisurare vizibilă justifică înlocuirea imediată. Dacă suportul s-a deformat, dar nu s-a fisurat, acesta poate continua să funcționeze, dar la capacitate redusă. Pentru aplicații critice (încălzitorul ar putea cădea în rezervor), înlocuiți suporturile deformate, indiferent de starea de fisurare.
Exemplu de câmp
O fabrică chimică a folosit suporturi PFA pentru a susține un încălzitor de 15 kg (sarcină de 150 N) la 180 de grade. Secțiunea transversală-suportului a fost de 10 mm × 8 mm (80 mm²), dând σ=150/80=1.9 MPa-în limita de siguranță. După 18 luni (≈13.000 de ore), suportul a prezentat o deformare de 3 mm, dar fără fisuri. Încălzitorul era încă susținut. La 2,5 ani (18.000 de ore), deviația a ajuns la 6 mm, iar încălzitorul era lăsat. Suportul a fost înlocuit în timpul unei opriri programate. Suportul nu s-a defectat, dar era aproape de sfârșitul duratei de viață utilă. Fabrica și-a revizuit designul pentru a utiliza suporturi metalice pentru viitoarele instalații, invocând necesitatea unei durate nedefinite.
Concluzie: Limitați stresul suportului PFA la 2 MPa la 180 de grade
Durata de viață realistă la rupere prin fluaj a unui suport de încălzire PFA încărcat la 5 MPa și 180 de grade este doar 500–2.000 de ore-insuficientă pentru majoritatea aplicațiilor industriale. Pentru servicii pe termen lung (5,000+ ore), limitați stresul la 2 MPa. Pentru sarcini de peste 2 MPa, utilizați suporturi metalice cu acoperire PFA sau suporturi metalice separate. Dacă trebuie să utilizați suporturi PFA, specificați cristalinitate-înaltă, PFA recoaptă, raza tuturor colțurilor și verificați anual pentru deformare. PFA este un material excelent pentru rezistența chimică, dar un material slab pentru încărcare susținută-la temperaturi ridicate. Nu cereți PFA să facă ceea ce ar trebui să facă metalul. Când aveți îndoieli, utilizați metal. Costul unui încălzitor care cade într-un rezervor și scurtcircuita împotriva peretelui este mult mai mare decât costul unui suport metalic adecvat. Proiectați suportul pentru sarcină, nu pentru confortul unei singure-soluții materiale.
