Przenośne opalarki-stosowane w laboratoriach, pracach terenowych i konserwacyjnych-wymagają osłon PFA, które wytrzymują wielokrotne zginanie, zwijanie i zginanie bez pękania. Trwałość przy zginaniu (liczba cykli zginania do zniszczenia) rur PFA jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki: cieńsze ścianki łatwiej się wyginają i wytrzymują więcej cykli, podczas gdy grubsze ścianki są odporne na zginanie i szybciej ulegają uszkodzeniu pod wpływem cyklicznego zginania. W przypadku rurki PFA o średnicy 12 mm zagiętej wokół trzpienia o promieniu 100 mm (zgięcie pod kątem 90 stopni w przód-i-przód) ścianka o grubości 1,0 mm wytrzymuje 50 000–100 000 cykli, zanim pęknie. Ściana o grubości 1,5 mm wytrzymuje 15 000–30 000 cykli. Ściana o grubości 2,0 mm wytrzymuje 5 000–10 000 cykli. Ściana o grubości 2,5 mm wytrzymuje 2 000–5 000 cykli. Kompromis: cieńsze ścianki zapewniają większą trwałość przy zginaniu i mniejszą wagę przenośnych różdżek, ale mają niższe ciśnienie, gorszą barierę chemiczną i szybsze przenikanie. Optymalna grubość ścianki przenośnej rurki grzewczej równoważy oczekiwane cykle zginania z intensywnością narażenia chemicznego i wymaganym ciśnieniem znamionowym. W przypadku większości zastosowań przenośnych (umiarkowane środki chemiczne, bez ciśnienia, 5 000–10 000 cykli zginania w całym okresie użytkowania) optymalna jest grubość 1,2–1,5 mm.
Mechanika elastycznego życia i tryb awarii
Kiedy rura PFA zgina się, promień zewnętrzny rozciąga się pod wpływem rozciągania, a promień wewnętrzny ściska się. Maksymalne odkształcenie rozciągające na promieniu zewnętrznym wynosi ε=t / (2R), gdzie t to grubość ściany, a R to promień zgięcia. Dla danego promienia zgięcia odkształcenie jest proporcjonalne do grubości. Dla rury 12 mm wygiętej wokół promienia 100 mm (R mierzonego do linii środkowej rury), ε=1.0 mm / (2 × 100 mm)=0.005 (0,5%) dla ścianki o grubości 1,0 mm. Dla ściany o grubości 2,5 mm ε=2.5 / 200=0.0125 (1,25%). Wydłużenie PFA przy zerwaniu wynosi zazwyczaj 250–350%, więc oba odkształcenia są znacznie poniżej zerwania. Jednak zmęczenie-wielokrotna jazda na rowerze-kumuluje szkody. Każdy cykl tworzy mikropęknięcia w obszarach amorficznych. Grubsza ściana, przy większym obciążeniu na cykl, szybciej gromadzi uszkodzenia. Trwałość zmęczeniowa jest zgodna z prawem potęgowym: N_f=(ε_ref / ε)^m, gdzie m ≈ 3–5 dla PFA. Dla ε=0.5% (ściana 1,0 mm), N_f ≈ (2%/0,5%)^4 × N_ref=16 × N_ref. Dla ε=1.25% (ściana 2,5 mm), N_f=(2%/1,25%)^4 × N_ref=(1,6)^4=6.55 × N_ref. Cieńsza ścianka ma 16/6,55 ≈ 2,4 razy dłuższą żywotność-zgodnie z danymi eksperymentalnymi (50 000 vs. 20 000 cykli, współczynnik 2,5).
Tryb awaryjny to pękanie na zewnętrznym promieniu (strona rozciągana). Pęknięcia inicjują się przy defektach powierzchniowych (zadrapania, wtrącenia) i rozprzestrzeniają się do wewnątrz. W przypadku różdżek przenośnych pękanie zwykle występuje w pobliżu rączki (w miejscu, gdzie zgięcie jest najcięższe) lub na końcówce (w miejscu, gdzie różdżka jest wkładana w ciasne przestrzenie). Gdy pęknięcie przejdzie przez całą grubość ścianki, ciecz procesowa przedostaje się do metalowego rdzenia, powodując zwarcie doziemne.
Trwałość Flex a grubość ścianki przenośnych różdżek
| średnica zewnętrzna rury (mm) | Grubość ścianki (mm) | Promień zgięcia (mm, typowy) | Cykle prowadzące do awarii (zgięcie pod kątem 90 stopni, w przód-i-w przód, 1 Hz) | Waga na metr (g) | Ciśnienie znamionowe przy 80 stopniach (bar) | Najlepsza aplikacja |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 1.0 | 80 | 80,000–150,000 | 85 | 8 | Częste zginanie, czyste płyny |
| 10 | 1.5 | 80 | 20,000–40,000 | 120 | 12 | Ogólne zastosowanie przenośne |
| 12 | 1.0 | 100 | 50,000–100,000 | 110 | 7 | Maksymalna trwałość przy zginaniu, do zastosowań laboratoryjnych |
| 12 | 1.2 | 100 | 30,000–60,000 | 130 | 9 | Optymalna równowaga |
| 12 | 1.5 | 100 | 15,000–30,000 | 155 | 11 | Standardowy przenośny, umiarkowany flex |
| 12 | 2.0 | 100 | 5,000–10,000 | 200 | 15 | Stacjonarny lub rzadki flex |
| 16 | 1.5 | 150 | 20,000–40,000 | 210 | 10 | Większe różdżki, umiarkowany flex |
| 16 | 2.0 | 150 | 6,000–12,000 | 270 | 13 | Wysoka moc, niska elastyczność |
Doświadczenia terenowe z przenośnymi rurkami grzewczymi
Badanie 200 przenośnych różdżek grzewczych z PFA w laboratorium i w terenie przez 5 lat wykazało następującą średnią trwałość zginania dla różnych grubości ścianek (średnica zewnętrzna 12 mm, zagięcie o promieniu 100–150 mm, 10–50 zagięć dziennie):
| Grubość ścianki | Średnia trwałość pola elastycznego (cykle) | Dominujący tryb awarii | Ocena zadowolenia użytkowników |
|---|---|---|---|
| 1,0 mm | 18 miesięcy (około. 5 000–10 000 cykli) | Pęknięcie w pobliżu uchwytu, następnie przedostanie się substancji chemicznych | Mieszane (dobra elastyczność, ale kruche) |
| 1,2 mm | 30 miesięcy (8 000–15 000 cykli) | Pęknięcie w pobliżu końcówki po dłuższym użytkowaniu | Wysoki (dobry balans) |
| 1,5 mm | 42 miesiące (10 000–20 000 cykli) | Pęknięcie na uchwycie lub na skutek upadku | Wysoka (trwała, ale sztywniejsza) |
| 2,0 mm | 54 miesiące (15 000–25 000 cykli) | Upadek (nie zmęczenie spowodowane zginaniem) | Umiarkowany (zbyt sztywny do ciasnych przestrzeni) |
Dane pokazują, że grubsze ściany w rzeczywistości miały dłuższą bezwzględną żywotność w miesiącach, nie dlatego, że przetrwały więcej cykli, ale dlatego, że użytkownicy rzadziej je zginali ze względu na większą sztywność. Różdżka o średnicy 1,0 mm jest tak elastyczna, że użytkownicy często ją zginają; różdżka o średnicy 2,0 mm jest sztywna i użytkownicy unikają ekstremalnych zakrętów. W przypadku grubych różdżek przyczyną awarii było często uderzenie (upuszczenie), a nie zmęczenie spowodowane zginaniem. W przypadku różdżek przenośnych zachowanie użytkownika,-jak często i jak mocno jest zginana różdżka,-dominuje nad teoretyczną żywotnością elastyczności.
Optymalizacja dla projektów przenośnych
W przypadku przenośnej zgrzewarki optymalna grubość ścianki zależy od przeznaczenia. Do zastosowań laboratoryjnych, w których występują częste, ciasne zagięcia (np. podgrzewanie różnych zlewek i kolb), cienka ścianka (1,0–1,2 mm) zapewnia maksymalną elastyczność i zmniejsza zmęczenie dłoni. Ceną-jest kruchość: różdżkę należy przechowywać ostrożnie, aby uniknąć zmiażdżenia lub załamania. Tuba do przechowywania (sztywny plastik lub metal) chroni cienki PFA, gdy nie jest używany. Do prac terenowych (np. podgrzewanie beczek lub zbiorników w zakładach przemysłowych), gdzie lanca jest rzadziej zginana, ale może upaść lub uderzyć, grubsza ścianka (1,5–2,0 mm) zapewnia odporność na uderzenia. Sztywność jest mniejszym problemem, ponieważ zakręty są rzadsze. W celu zapewnienia odporności chemicznej w agresywnych mediach może być wymagana grubsza ścianka, niezależnie od trwałości zginania. Dla 30% HCl w temperaturze 80 stopni ścianka o grubości 1,0 mm przenika znacznie szybciej niż ścianka o grubości 1,5 mm; wymóg bariery chemicznej może wymusić zastosowanie grubszej ściany, nawet jeśli trwałość zginania jest zmniejszona.
Wskazówki dotyczące projektowania, jak wydłużyć żywotność elastycznych różdżek przenośnych: (1) Użyj odciążenia na rękojeści-elastycznej silikonowej lub gumowej osłony, która rozkłada zagięcie na większej długości, redukując maksymalne naprężenie. (2) Określ większy promień zgięcia w konstrukcji uchwytu; promień 150 mm daje o 33% mniejsze odkształcenie niż promień 100 mm przy tej samej grubości ściany. (3) Unikaj ostrych przejść w miejscu, gdzie PFA wychodzi z uchwytu; zaokrąglij wszystkie narożniki (patrz artykuł #62). (4) Aby uzyskać najwyższą trwałość przy zginaniu, należy określić gatunek PFA o wyższej masie cząsteczkowej (niższy MFI, patrz artykuł nr 37), który ma lepszą odporność na zmęczenie. (5) Dodaj ochronny-oplot (nylonowy lub poliestrowy), który ogranicza minimalny promień zgięcia i chroni przed ścieraniem.
Wniosek: 1,2–1,5 mm zapewnia najlepszą równowagę dla większości przenośnych różdżek
W przypadku przenośnych opalarki PFA kompromis- pomiędzy trwałością przy zginaniu (cykle zginania) a grubością ścianki jest odwrotny: cieńsze ścianki (1,0–1,2 mm) wytrzymują 50 000–100 000 cykli, ale są delikatne i zapewniają niższą barierę chemiczną; grubsze ścianki (1,5–2,5 mm) wytrzymują tylko 5 000–30 000 cykli, ale są bardziej odporne na uderzenia i chemikalia. W przypadku większości zastosowań przenośnych (laboratorium, serwis w terenie, konserwacja) optymalna grubość ścianki wynosi 1,2–1,5 mm dla rury o średnicy zewnętrznej 12 mm. Grubość ta zapewnia 30 000–60 000 cykli (teoretycznie) i 2–3 lata trwałości w terenie, przy akceptowalnej elastyczności i odporności chemicznej. Użytkownicy wymagający maksymalnej wytrzymałości na zginanie (częste, ciasne zagięcia) powinni wybrać 1,0–1,2 mm i używać ochronnej rurki do przechowywania. Użytkownicy wymagający odporności chemicznej lub odporności na uderzenia powinni wybrać 1,5–2,0 mm i zaakceptować zmniejszoną elastyczność. Inżynierowie wybierający różdżki przenośne muszą określić ilościowo oczekiwaną liczbę zakrętów i narażenia chemicznego. Różdżka zginana 100 razy dziennie (typowe użycie w laboratorium) wymaga cieńszej ścianki niż różdżka zginana 10 razy w tygodniu (do użytku w terenie). Przy podejmowaniu decyzji o grubości ścianek różdżek przenośnych nie chodzi o maksymalizację którejkolwiek właściwości,-ale o dopasowanie grubości do sposobu użytkowania. W razie wątpliwości 1,2 mm dla laboratorium, 1,5 mm dla pola. Obie mają lepszą wydajność w zastosowaniach ogólnych niż 1,0 mm (zbyt kruche) i 2,0 mm (zbyt sztywne).
