Οι βραχίονες στήριξης θερμαντήρα PFA-χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση θερμαντικών σωμάτων σε δεξαμενές ή για τη συγκράτηση βοηθητικού εξοπλισμού-περιστασιακά αντέχουν παρατεταμένα μηχανικά φορτία σε υψηλές θερμοκρασίες. Στις 180 μοίρες (κοντά στο όριο συνεχούς χρήσης του PFA των 200 μοιρών), η ρήξη ερπυσμού γίνεται ο κυρίαρχος τρόπος αποτυχίας για φορτωμένους βραχίονες. Για έναν βραχίονα φορτωμένο στα 5 MPa (συνήθης για έναν θερμαντήρα 10 kg που κρέμεται από υποστήριξη διατομής 50 mm²), η ρεαλιστική διάρκεια ρήξης ερπυσμού είναι 500–2.000 ώρες, ανάλογα με την ποιότητα PFA, την κρυσταλλικότητα και την ποιότητα κατασκευής. Αυτή είναι πολύ μικρότερη από την τυπική διάρκεια ζωής του θερμαντήρα (10.000–30.000 ώρες). Επομένως, οι βραχίονες PFA δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για παρατεταμένα φορτία άνω των 2 MPa στους 180 μοίρες. Για φορτία άνω των 2 MPa, χρησιμοποιήστε μεταλλικούς βραχίονες με επίστρωση PFA ή ξεχωριστά μεταλλικά στηρίγματα. Τα παρακάτω δεδομένα ρήξης ερπυσμού παρέχουν οδηγίες για ασφαλή σχεδιασμό.
Μηχανισμοί ρήξης ερπυσμού στις 180 μοίρες
Στους 180 βαθμούς , το PFA είναι πάνω από τη μετάπτωση του γυαλιού (Tg=-15 βαθμός ) αλλά κάτω από το σημείο τήξης του (305 μοίρες ). Το πολυμερές παρουσιάζει ιξωδοελαστικό ερπυσμό: υπό σταθερό φορτίο, παραμορφώνεται συνεχώς. Στο αρχικό στάδιο ερπυσμού (πρώτες 0-100 ώρες), η τάση αυξάνεται με φθίνουσα ταχύτητα. Στον δευτερεύοντα ερπυσμό (100–1.000 ώρες), ο ρυθμός παραμόρφωσης είναι σταθερός. Σε τριτογενή ερπυσμό (άνω των 1.000 ωρών), η καταπόνηση επιταχύνεται καθώς σχηματίζονται κενά και η αποτελεσματική διατομή μειώνεται, οδηγώντας σε ρήξη. Για ένα βραχίονα PFA φορτωμένο στα 5 MPa στις 180 μοίρες, ο τυπικός χρόνος για την επίτευξη τριτογενούς ερπυσμού είναι 200–500 ώρες. η ρήξη συμβαίνει στις 500–2.000 ώρες. Η διάρκεια ζωής της ρήξης ακολουθεί την παράμετρο Larson-Miller: LMP=T × (C + log t), όπου T είναι θερμοκρασία (K), t είναι χρόνος ρήξης (ώρες) και C είναι σταθερά υλικού (≈20 για PFA). Για ένα δεδομένο LMP, η υψηλότερη θερμοκρασία μειώνει τη διάρκεια ζωής εκθετικά.
Η κρυσταλλικότητα του PFA επηρεάζει έντονα την αντίσταση ερπυσμού. Το PFA υψηλής-κρυσταλλικότητας (55–65%) έχει 2–3 φορές μεγαλύτερη διάρκεια ζωής ερπυσμού από το PFA χαμηλής-κρυσταλλικότητας (35–45%). Οι ανοπτημένες αγκύλες (μετά{10}}ανόπτηση σε καλούπι στους 200 βαθμούς για 4 ώρες) δείχνουν επίσης μεγαλύτερη διάρκεια ζωής (βλ. άρθρο #41). Η γεωμετρία του βραχίονα έχει σημασία: οι αιχμηρές γωνίες συγκεντρώνουν την πίεση και μειώνουν τη διάρκεια ζωής κατά 50–80% σε σύγκριση με τα σχέδια με ακτίνα.
Ρήξη ερπυσμού Ζωή λόγω στρες και θερμοκρασίας
| Θερμοκρασία (βαθμός) | Στρες (MPa) | Βαθμός PFA | Κρυσταλλικότητα (%) | Διάρκεια ζωής (ώρες, τυπικές) | Λειτουργία αποτυχίας |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Πρότυπο | 45 | 8,000–15,000 | Υπερβολική εκτροπή (ερπυσμός) |
| 180 | 3 | Πρότυπο | 45 | 3,000–6,000 | Ρήξη ερπυσμού |
| 180 | 4 | Πρότυπο | 45 | 1,000–2,500 | Ρήξη με σχηματισμό κενού |
| 180 | 5 | Πρότυπο | 45 | 500–1,500 | Γρήγορη ρήξη |
| 180 | 6 | Πρότυπο | 45 | 200–500 | Άμεση παραμόρφωση, ρήξη |
| 180 | 5 | Υψηλή-κρυσταλλικότητα (ανοπτημένη) | 60 | 1,200–2,500 | 2× διάρκεια ζωής έναντι τυπικού |
| 180 | 5 | Χαμηλή-κρυσταλλικότητα (χωρίς ανόπτηση) | 38 | 300–800 | 50% διάρκεια ζωής έναντι τυπικού |
| 160 | 5 | Πρότυπο | 45 | 3,000–6,000 | Η χαμηλότερη θερμοκρασία παρατείνει τη διάρκεια ζωής |
| 200 | 3 | Πρότυπο | 45 | 500–1,500 | Σχεδόν ανώτατο όριο για PFA |
| 150 | 5 | Πρότυπο | 45 | 6,000–12,000 | Αποδεκτό για διακοπτόμενα φορτία |
Συστάσεις ασφαλούς σχεδιασμού
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5.000 ώρες). Υπολογίστε την τάση ως σ=F / A, όπου F είναι το φορτίο (N) και A είναι η ελάχιστη-διατομή του βραχίονα (mm²). Για φορτίο 50 N (≈5 kg), απαιτείται περιοχή A=F/σ=50 / 2=25 mm². Ένας βραχίονας με διατομή-5 mm × 5 mm (25 mm²) είναι το ελάχιστο. Για φορτίο 100 N (10 kg), η ελάχιστη περιοχή είναι 50 mm² (7 mm × 7 mm). Αυτά είναι ελάχιστα μεγέθη. Τα μεγαλύτερα στηρίγματα παρέχουν περιθώριο ασφαλείας.
Για φορτία άνω των 2 MPa στους 180 μοίρες, χρησιμοποιήστε μεταλλικό στήριγμα (ανοξείδωτο ατσάλι, τιτάνιο ή Hastelloy) με επίστρωση ή μανίκι PFA για την αποφυγή χημικής επίθεσης. Το μεταλλικό στήριγμα μεταφέρει το φορτίο. το PFA παρέχει χημική αντοχή. Εναλλακτικά, στηρίξτε τη θερμάστρα από πάνω (τάση) και όχι από κάτω (συμπίεση) χρησιμοποιώντας μια μεταλλική ράβδο μέσα από το κέντρο του θερμαντήρα. Το PFA είναι ισχυρότερο σε συμπίεση παρά σε τάση. Η διάρκεια ζωής ερπυσμού σε θλίψη είναι 2–3 φορές μεγαλύτερη από τη διάρκεια ζωής ερπυσμού σε εφελκυσμό για την ίδια τάση.
Για υπάρχοντες βραχίονες PFA που λειτουργούν σε υψηλή τάση, επιθεωρήστε ετησίως για παραμόρφωση. Μετρήστε τις αρχικές διαστάσεις του βραχίονα και συγκρίνετε με το ρεύμα. Μόνιμη παραμόρφωση άνω των 2 mm ή οποιοδήποτε ορατό ράγισμα απαιτεί άμεση αντικατάσταση. Εάν ο βραχίονας έχει παραμορφωθεί αλλά δεν έχει ραγίσει, μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αλλά με μειωμένη χωρητικότητα. Για κρίσιμες εφαρμογές (ο θερμαντήρας μπορεί να πέσει στη δεξαμενή), αντικαταστήστε τα παραμορφωμένα στηρίγματα ανεξάρτητα από την κατάσταση ρωγμών.
Παράδειγμα πεδίου
Ένα χημικό εργοστάσιο χρησιμοποίησε βραχίονες PFA για να υποστηρίξει έναν θερμαντήρα 15 kg (φορτίο 150 N) στους 180 βαθμούς. Η διατομή του βραχίονα- ήταν 10 mm × 8 mm (80 mm²), δίνοντας σ=150/{80=1.9 MPa-εντός του ορίου ασφαλείας. Μετά από 18 μήνες (≈13.000 ώρες), ο βραχίονας έδειξε 3 mm κάμψης αλλά όχι ρωγμές. Ο θερμαντήρας ήταν ακόμα υποστηριζόμενος. Στα 2,5 χρόνια (18.000 ώρες), η εκτροπή έφτασε τα 6 mm και ο θερμαντήρας κρεμούσε. Ο βραχίονας αντικαταστάθηκε κατά τη διάρκεια προγραμματισμένου τερματισμού λειτουργίας. Το στήριγμα δεν είχε αστοχήσει αλλά πλησίαζε στο τέλος της ωφέλιμης ζωής του. Το εργοστάσιο αναθεώρησε τον σχεδιασμό του για να χρησιμοποιήσει μεταλλικούς βραχίονες για μελλοντικές εγκαταστάσεις, επικαλούμενος την ανάγκη για απεριόριστη διάρκεια ζωής.
Συμπέρασμα: Περιορίστε την πίεση του βραχίονα PFA στα 2 MPa στους 180 βαθμούς
Η ρεαλιστική διάρκεια ρήξης ερπυσμού ενός βραχίονα στήριξης θερμαντήρα PFA φορτωμένου στα 5 MPa και 180 μοίρες είναι μόνο 500–2.000 ώρες-ανεπαρκής για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές. Για μακροχρόνια-υπηρεσία (5,000+ ώρες), περιορίστε το άγχος στα 2 MPa. Για φορτία άνω των 2 MPa, χρησιμοποιήστε μεταλλικούς βραχίονες με επίστρωση PFA ή ξεχωριστά μεταλλικά στηρίγματα. Εάν πρέπει να χρησιμοποιηθούν βραχίονες PFA, καθορίστε την υψηλή{14}}κρυσταλλικότητα, την ανόπτηση PFA, την ακτίνα όλων των γωνιών και επιθεωρήστε ετησίως για παραμόρφωση. Το PFA είναι ένα εξαιρετικό υλικό για χημική αντοχή, αλλά ένα φτωχό υλικό για παρατεταμένο φορτίο-σε υψηλή θερμοκρασία. Μην ζητάτε από την PFA να κάνει αυτό που πρέπει να κάνει το metal. Σε περίπτωση αμφιβολίας, χρησιμοποιήστε μέταλλο. Το κόστος ενός θερμαντήρα που πέφτει σε μια δεξαμενή και βραχυκυκλώνει στον τοίχο είναι πολύ μεγαλύτερο από το κόστος ενός κατάλληλου μεταλλικού βραχίονα στήριξης. Κατασκευάστε το στήριγμα για το φορτίο, όχι για την ευκολία μιας μόνο-λύσης υλικού.
