Wsporniki grzejników PFA-służą do umieszczania grzejników w zbiornikach lub do mocowania sprzętu pomocniczego-czasami wytrzymują trwałe obciążenia mechaniczne w podwyższonych temperaturach. Przy 180 stopniach (w pobliżu limitu ciągłego stosowania PFA wynoszącego 200 stopni) pęknięcie pełzające staje się dominującym rodzajem uszkodzenia obciążonych zamków. W przypadku wspornika obciążonego pod ciśnieniem 5 MPa (typowego dla grzejnika o masie 10 kg zawieszonego na wsporniku-o przekroju poprzecznym 50 mm²) realistyczna trwałość przy pękaniu na skutek pełzania wynosi 500–2000 godzin, w zależności od gatunku PFA, krystaliczności i jakości produkcji. Jest to znacznie krótsze niż typowy okres użytkowania grzejnika (10 000–30 000 godzin). Dlatego wsporników PFA nie należy stosować przy obciążeniach długotrwałych powyżej 2 MPa przy 180 stopniach. Dla obciążeń powyżej 2 MPa należy zastosować wsporniki metalowe z powłoką PFA lub osobne wsporniki metalowe. Poniższe dane dotyczące pęknięcia pełzającego dostarczają wskazówek dotyczących bezpiecznego projektowania.
Mechanizmy pękania pełzającego pod kątem 180 stopni
W temperaturze 180 stopni PFA znajduje się powyżej swojej temperatury zeszklenia (Tg=-15 stopnia), ale poniżej temperatury topnienia (305 stopni). Polimer wykazuje pełzanie lepkosprężyste: pod stałym obciążeniem odkształca się w sposób ciągły. W fazie pierwotnego pełzania (pierwsze 0–100 godzin) odkształcenie rośnie w malejącym tempie. Podczas pełzania wtórnego (100–1000 godzin) szybkość odkształcania jest stała. W przypadku pełzania trzeciorzędowego (powyżej 1000 godzin) odkształcenie przyspiesza w miarę tworzenia się pustych przestrzeni i zmniejsza się-efektywny przekrój poprzeczny, co prowadzi do pęknięcia. W przypadku wspornika PFA obciążonego pod ciśnieniem 5 MPa w temperaturze 180 stopni typowy czas do osiągnięcia trzeciorzędowego pełzania wynosi 200–500 godzin; pęknięcie następuje po 500–2000 godzinach. Żywotność na zerwanie jest zgodna z parametrem Larsona-Millera: LMP=T × (C + log t), gdzie T to temperatura (K), t to czas do zerwania (godziny), a C to stała materiałowa (≈20 dla PFA). Dla danego LMP wyższa temperatura skraca żywotność wykładniczo.
Krystaliczność PFA silnie wpływa na odporność na pełzanie. PFA o wysokiej-krystaliczności (55–65%) ma 2–3 razy dłuższą trwałość pełzania niż PFA o niskiej-krystaliczności (35–45%). Wyżarzone zamki (wygrzewanie{{10}po formowaniu w temperaturze 200 stopni przez 4 godziny) również wykazują dłuższą trwałość (patrz artykuł #41). Geometria wspornika ma znaczenie: ostre narożniki skupiają naprężenia i skracają żywotność o 50–80% w porównaniu do konstrukcji zaokrąglonych.
Życie przy pękaniu pełzającym pod wpływem stresu i temperatury
| Temperatura (stopnie) | Naprężenie (MPa) | Stopień PFA | Krystaliczność (%) | Trwałość przy zerwaniu (godziny, typowo) | Tryb awarii |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Standard | 45 | 8,000–15,000 | Nadmierne ugięcie (pełzanie) |
| 180 | 3 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Pęknięcie pełzające |
| 180 | 4 | Standard | 45 | 1,000–2,500 | Pęknięcie z utworzeniem pustej przestrzeni |
| 180 | 5 | Standard | 45 | 500–1,500 | Szybkie pęknięcie |
| 180 | 6 | Standard | 45 | 200–500 | Natychmiastowe odchylenie, pęknięcie |
| 180 | 5 | Wysoka-krystaliczność (wyżarzana) | 60 | 1,200–2,500 | 2× żywotność w porównaniu do standardu |
| 180 | 5 | Niska-krystaliczność (niewyżarzona) | 38 | 300–800 | 50% żywotności w porównaniu ze standardem |
| 160 | 5 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Niższa temperatura wydłuża żywotność |
| 200 | 3 | Standard | 45 | 500–1,500 | Blisko górnej granicy dla PFA |
| 150 | 5 | Standard | 45 | 6,000–12,000 | Dopuszczalne dla obciążeń przerywanych |
Zalecenia dotyczące bezpiecznego projektu
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5000 godzin). Oblicz naprężenie jako σ=F / A, gdzie F to obciążenie (N), a A to minimalne-pole przekroju poprzecznego wspornika (mm²). Dla obciążenia 50 N (≈5 kg) wymagana powierzchnia A=F/σ=50 / 2=25 mm². Minimalnym rozwiązaniem jest wspornik o przekroju-5 mm × 5 mm (25 mm²). Dla obciążenia 100 N (10 kg) minimalna powierzchnia wynosi 50 mm² (7 mm × 7 mm). Są to rozmiary minimalne; większe wsporniki zapewniają margines bezpieczeństwa.
W przypadku obciążeń powyżej 2 MPa przy 180 stopniach należy zastosować metalowy wspornik (stal nierdzewna, tytan lub Hastelloy) z powłoką PFA lub tuleję, aby zapobiec atakowi chemicznemu. Metalowy wspornik przenosi obciążenie; PFA zapewnia odporność chemiczną. Alternatywnie podeprzyj grzejnik od góry (napinanie), a nie od dołu (kompresja), używając metalowego pręta przechodzącego przez środek grzejnika. PFA jest silniejszy przy ściskaniu niż przy rozciąganiu; trwałość przy pełzaniu przy ściskaniu jest 2–3 razy dłuższa niż trwałość przy pełzaniu przy rozciąganiu przy tym samym naprężeniu.
W przypadku istniejących wsporników PFA pracujących pod dużym obciążeniem należy co roku sprawdzać pod kątem odkształceń. Zmierz oryginalne wymiary wspornika i porównaj z obecnymi. Trwałe odkształcenie przekraczające 2 mm lub widoczne pęknięcia wymagają natychmiastowej wymiany. Jeśli wspornik odkształcił się, ale nie pękł, może nadal działać, ale ze zmniejszoną wydajnością. W przypadku zastosowań krytycznych (grzałka może wpaść do zbiornika) należy wymienić zdeformowane wsporniki niezależnie od stanu pęknięć.
Przykład pola
W fabryce chemicznej zastosowano wsporniki PFA do podparcia grzejnika o masie 15 kg (obciążenie 150 N) pod kątem 180 stopni. Przekrój zamka-wyniósł 10 mm × 8 mm (80 mm²), co dawało σ=150/80=1.9 MPa-w bezpiecznym zakresie. Po 18 miesiącach (≈13 000 godzin) zamek wykazywał ugięcie 3 mm, ale nie było żadnych pęknięć. Grzejnik był nadal obsługiwany. Po 2,5 roku (18 000 godzin) ugięcie osiągnęło 6 mm, a grzejnik zaczął opadać. Wspornik został wymieniony podczas zaplanowanego wyłączenia. Wspornik nie uległ uszkodzeniu, ale jego żywotność dobiegła końca. Zakład zmienił swój projekt, aby w przyszłych instalacjach zastosować metalowe wsporniki, powołując się na potrzebę nieokreślonego okresu trwałości.
Wniosek: Ogranicz naprężenie wspornika PFA do 2 MPa przy 180 stopniach
Realistyczna trwałość na pękanie wspornika grzejnika PFA obciążonego pod ciśnieniem 5 MPa i 180 stopni wynosi zaledwie 500–2000 godzin-niewystarczających w przypadku większości zastosowań przemysłowych. W przypadku długotrwałej-pracy (5,000+ godzin) należy ograniczyć naprężenia do 2 MPa. Dla obciążeń powyżej 2 MPa należy zastosować wsporniki metalowe z powłoką PFA lub osobne wsporniki metalowe. Jeśli konieczne jest użycie wsporników PFA, należy określić wysoką-krystaliczność, wyżarzony PFA, zaokrąglić wszystkie narożniki i co roku sprawdzać pod kątem ugięcia. PFA to doskonały materiał pod względem odporności chemicznej, ale kiepski materiał pod względem długotrwałego obciążenia-w wysokiej temperaturze. Nie proś PFA, aby zrobił to, co powinien zrobić metal. W razie wątpliwości użyj metalu. Koszt wpadnięcia grzejnika do zbiornika i zwarcia ze ścianą jest znacznie większy niż koszt odpowiedniego metalowego wspornika. Zaprojektuj wspornik pod kątem obciążenia, a nie wygody rozwiązania z jednego-materiału.
