Używanie grzałki zanurzeniowej z PFA jako wspornika mechanicznego-na przykład przytrzymującego przegrodę, podpierającego czujnik temperatury lub pełniącego rolę elementu konstrukcyjnego-nakłada trwałe naprężenia statyczne na osłonę polimerową i kołnierz montażowy. Pod wystarczającym naprężeniem PFA przechodzi od liniowego pełzania lepkosprężystego (odwracalne,-szybkość odkształcania niezależna od czasu) do pełzania nieliniowego-(odkształcenie przyspieszające prowadzące do pęknięcia). Początek nieliniowego pełzania występuje, gdy przyłożone naprężenie przekracza około 20–30% krótkotrwałej-granicy plastyczności polimeru w temperaturze roboczej. Dla PFA o temperaturze 100 stopni (granica plastyczności około 12–15 MPa) próg naprężenia krytycznego wynosi 2,5–4,5 MPa. Grzejnik używany jako podpora przy naprężeniu zginającym przekraczającym 3 MPa wejdzie w-nieliniowe pełzanie w ciągu 500–2000 godzin, co prowadzi do trwałego odkształcenia, ścieńczenia ścianek w punktach podparcia i ostatecznego pęknięcia osłony. Przewidywanie początku wymaga obliczenia maksymalnego utrzymującego się naprężenia na podstawie przyłożonego obciążenia mechanicznego i porównania go z zależnym od temperatury progiem pełzania.
Pełzanie liniowe i nieliniowe-w PFA
W liniowym reżimie lepkosprężystym (naprężenie poniżej progu) PFA odkształca się ze stałą szybkością pełzania: ε=σ × J(t), gdzie J(t) to podatność na pełzanie (-zależna od czasu, ale-niezależna od naprężenia. Odkształcenie pozostaje możliwe do naprawienia po rozładunku, a materiał nie powoduje trwałych uszkodzeń. W przypadku grzejnika PFA podtrzymującego masę 2 kg (siła 20 N) rozłożonego na długości 10 cm, naprężenie zginające w rurze o średnicy 25 mm ze ścianką 2 mm wynosi w przybliżeniu σ=M × y / I. Dla swobodnie podpartej belki z obciążeniem centralnym maksymalny moment zginający M=F×L/4=20×0,1/4=0.5 N·m. Wskaźnik przekroju Z=π × (D⁴ - d⁴)/(32×D) ≈ 1,5e-6 m³. Naprężenie σ=M/Z=0.5 / 1,5e-6=0.33 MPa-znacznie poniżej progu. Taki grzejnik będzie utrzymywał obciążenie przez czas nieokreślony bez nieliniowego pełzania.
W nie{0}}liniowym trybie pełzania (naprężenie powyżej progu) szybkość pełzania zależy od naprężenia- i przyspiesza z czasem: ε=A × σ^n × t^m, gdzie n > 3 i m > 1. Materiał wchodzi w trzeciorzędowy pełzanie, gdzie tworzą się puste przestrzenie, grubość ścianki zmniejsza się lokalnie, a obciążenie koncentruje się na mniejszym przekroju-, przyspieszając zniszczenie. Dla grzejnika PFA o masie 20 kg (200 N) naprężenie zginające=3.3 MPa-na progu dla 100 stopni. Przy takim naprężeniu-nieliniowe pełzanie rozpoczyna się po 1000–2000 godzin. Rura będzie się wyraźnie wyginać (ugięcie 5–10 mm) i z czasem będzie się zwisać. Przerzedzenie ścianki na zewnętrznym promieniu dziobu zmniejsza lokalną grubość z 2,0 mm do 1,5–1,7 mm w ciągu 5000 godzin, tworząc drogę przenikania.
Temperatura-Zależne progi pełzania
| Temperatura pracy (stopnie) | Granica plastyczności PFA (MPa, przesunięcie 0,2%) | Nie{0}}liniowy próg pełzania (20–30% wydajności) | Naprężenie krytyczne powodujące 1000-godzinne pęknięcie pełzające | Typowe obciążenie rury 25 mm (N) do osiągnięcia progu* |
|---|---|---|---|---|
| 20 stopni (w pomieszczeniu) | 25–28 | 5,0–8,5 MPa | 12–15 MPa | 300–500 N (30–50 kg) |
| 50 stopni | 18–22 | 3,5–6,5 MPa | 8–10 MPa | 200–350 N (20–35 kg) |
| 80 stopni | 14–17 | 3,0–5,0 MPa | 6–8 MPa | 150–250 N (15–25 kg) |
| 100 stopni | 12–15 | 2,5–4,5 MPa | 5–7 MPa | 120–200 N (12–20 kg) |
| 120 stopni | 9–12 | 2,0–3,5 MPa | 4–5 MPa | 80–150 N (8–15 kg) |
| 140 stopni | 7–10 | 1,5–3,0 MPa | 3–4 MPa | 60–100 N (6–10 kg) |
| 150 stopni | 6–8 | 1,2–2,5 MPa | 2–3 MPa | 40–80 N (4–8 kg) |
*Dla swobodnie podpartej belki (L=200 mm) z obciążeniem środkowym na rurze ściennej o średnicy zewnętrznej 25 mm i średnicy 2 mm.
Przewidywanie początku za pomocą-zasady superpozycji temperatury
Dla danego przyłożonego naprężenia czas do wystąpienia nie-liniowego pełzania jest zgodny z zależnością Arrheniusa: t_onset=t_ref × exp[E_a/R × (1/T - 1/T_ref)], gdzie E_a to energia aktywacji pełzania (około 80–100 kJ/mol dla PFA), a t_ref to czas początku w temperaturze odniesienia i stres. W przypadku naprężenia przy progu plastyczności 20% t_ref przy 100 stopniach wynosi około 1500 godzin. Przy 120 stopniach, przy tym samym naprężeniu bezwzględnym (nie procentu plastyczności), t_onset=1,500 × exp[-90 000/8,314 × (1/393 - 1/373)]=1,500 × exp[-10825 × (0.00254 - 0.00268)]=1,500 × exp[-10,825 × (-0,00014)]=1,500 × exp(1,52)=1,500 × 4.57=6,850 godzin dłużej, ponieważ granica plastyczności spada wraz z temperaturą, więc to samo naprężenie bezwzględne oznacza wyższy procent plastyczności. Ten sprzeczny z intuicją wynik oznacza, że nieliniowy początek pełzania jest określany na podstawie naprężenia bezwzględnego w stosunku do plastyczności zależnej od temperatury, a nie samej temperatury.
Praktyczna metoda przewidywania: Zmierz lub oblicz maksymalne utrzymujące się naprężenie rozciągające w osłonie PFA w punkcie podparcia (zwykle zewnętrzne włókno rury we wsporniku nośnym). Podziel to naprężenie przez granicę plastyczności w temperaturze roboczej, aby otrzymać stosunek naprężenia R=σ_applied / σ_yield(T). Jeżeli R < 0,2,-nieliniowe pełzanie nie nastąpi w ciągu 10 000 godzin. Jeśli R=0.2–0,3, początek występuje po 1000–5000 godzin. Jeśli R=0.3–0,4, początek następuje po 100–1000 godzinach. Jeśli R > 0,4, natychmiastowe nieliniowe pełzanie i awaria w ciągu 100 godzin.
Weryfikacja w terenie i łagodzenie skutków
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 przy 100 stopniach); lub zastosowanie grzejnika-z metalowym płaszczem (PFA na metalowym rdzeniu), w którym metal przenosi obciążenie mechaniczne. W każdym razie użycie grzejnika PFA jako podpory mechanicznej powinno być ostatecznością. Nieliniowe pełzanie polimeru- sprawia, że jest on zawodny przy długotrwałych obciążeniach konstrukcyjnych, zwłaszcza powyżej 80 stopni.
Wniosek: Utrzymuj naprężenie ciągłe poniżej 20% granicy plastyczności
Początek nieliniowego pełzania w grzejnikach PFA stosowanych jako podpory mechaniczne pojawia się, gdy utrzymujące się naprężenie rozciągające przekracza 20–30% granicy plastyczności-zależnej od temperatury polimeru. Dla typowego grzejnika ściennego o średnicy 25 mm i grubości 2 mm przy 100 stopniach próg ten wynosi 2,5–4,5 MPa, co odpowiada obciążeniu mechanicznemu 120–200 N (12–20 kg) w prostej konfiguracji zginania. Poniżej tego progu grzejnik wykazuje liniowe pełzanie lepkosprężyste z minimalnym trwałym odkształceniem w ciągu lat użytkowania. Powyżej tego progu-w ciągu 100–5 000 godzin rozpoczyna się nieliniowe pełzanie, które prowadzi do stopniowego wyginania się, ścieńczenia ścian i ostatecznie pęknięcia osłony. Inżynierowie wymagający, aby grzejniki służyły jako podpory konstrukcyjne, powinni: (1) utrzymywać przyłożone naprężenia poniżej 20% progu plastyczności w przypadku większych średnic lub krótszych rozpiętości; (2) stosować obciążenie pionowe (osiowe), a nie zginanie; lub (3) zapewnić oddzielne metalowe wsporniki przenoszące obciążenie mechaniczne, dzięki czemu grzejnik może spełniać jedynie swoją podstawową funkcję grzewczą. Najczęstsze uszkodzenie pola spowodowane-nieliniowym pełzaniem występuje, gdy grzejnik jest używany jako podpora przegrody lub pręt mieszający,-w zastosowaniach, w których obciążenie mechaniczne jest nieokreślone i często przekracza wartość progową. Przed zaprojektowaniem instalacji należy określić ilościowo obciążenie. Prosty pomiar wagi podpartego komponentu i obliczenie naprężenia zginającego zajmuje 10 minut i zapobiega awariom, które mogłyby kosztować tysiące w postaci przestojów i wymiany.
