Опорні кронштейни нагрівача PFA-, які використовуються для розміщення нагрівачів у резервуарах або для утримання допоміжного обладнання-іноді зазнають тривалих механічних навантажень за підвищених температур. При 180 градусах (близько межі безперервного використання PFA 200 градусів) розрив повзучості стає домінуючим видом відмови для навантажених кронштейнів. Для кронштейна, навантаженого при тиску 5 МПа (типовий для нагрівача вагою 10 кг, який висить на опорі з поперечним перерізом 50 мм²), реалістичний термін служби під час повзучого розриву становить 500–2000 годин, залежно від класу PFA, кристалічності та якості виготовлення. Це набагато менше звичайного терміну служби нагрівача (10 000–30 000 годин). Тому кронштейни PFA не слід використовувати для тривалих навантажень понад 2 МПа при 180 градусах. Для навантажень понад 2 МПа використовуйте металеві кронштейни з покриттям PFA або окремі металеві опори. Нижче наведені дані про руйнування при повзучості є вказівками щодо безпечного проектування.
Механізми повзучого розриву під кутом 180 градусів
При 180 градусах PFA вище температури склування (Tg=-15 градусів), але нижче точки плавлення (305 градусів). Полімер проявляє в'язкопружну повзучість: при постійному навантаженні він безперервно деформується. На початковій стадії повзучості (перші 0–100 годин) деформація зростає зі зменшуваною швидкістю. При вторинній повзучості (100–1000 годин) швидкість деформації постійна. Під час третинної повзучості (понад 1000 годин) деформація прискорюється в міру утворення пустот і ефективний поперечний-переріз зменшується, що призводить до розриву. Для кронштейна PFA, навантаженого при 5 МПа при 180 градусах, типовий час для досягнення третинної повзучості становить 200–500 годин; Розрив відбувається через 500-2000 годин. Термін служби до розриву відповідає параметру Ларсона-Міллера: LMP=T × (C + log t), де T — температура (K), t — час до розриву (години), а C — константа матеріалу (≈20 для PFA). Для даного LMP вища температура експоненціально скорочує термін служби.
Кристалічність PFA сильно впливає на опір повзучості. PFA з високою-кристалічністю (55–65%) має в 2–3 рази довший термін повзучості, ніж PFA з низькою-кристалічністю (35–45%). Відпалені брекети (відпал після-формування при 200 градусах протягом 4 годин) також мають довший термін служби (див. статтю №41). Геометрія кронштейна має значення: гострі кути концентрують напругу та скорочують термін служби на 50–80% у порівнянні з конструкціями із радіусом.
Тривалість повзучого розриву внаслідок стресу та температури
| Температура (градус) | Стрес (МПа) | Клас PFA | Кристалічність (%) | Термін служби розриву (годин, типовий) | Режим відмови |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Стандартний | 45 | 8,000–15,000 | Надмірний прогин (повзучість) |
| 180 | 3 | Стандартний | 45 | 3,000–6,000 | Розрив повзучості |
| 180 | 4 | Стандартний | 45 | 1,000–2,500 | Розрив з утворенням пустот |
| 180 | 5 | Стандартний | 45 | 500–1,500 | Швидкий розрив |
| 180 | 6 | Стандартний | 45 | 200–500 | Негайний прогин, розрив |
| 180 | 5 | Висока-кристалічність (відпалений) | 60 | 1,200–2,500 | 2× життя порівняно зі стандартним |
| 180 | 5 | Низька-кристалічність (невідпалений) | 38 | 300–800 | 50% життя порівняно зі стандартом |
| 160 | 5 | Стандартний | 45 | 3,000–6,000 | Нижча температура продовжує термін служби |
| 200 | 3 | Стандартний | 45 | 500–1,500 | Майже верхня межа для PFA |
| 150 | 5 | Стандартний | 45 | 6,000–12,000 | Допустимий для періодичних навантажень |
Рекомендації щодо безпечного дизайну
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5000 годин). Обчисліть напругу як σ=F / A, де F — навантаження (Н), а A — мінімальна площа поперечного-перерізу кронштейна (мм²). Для навантаження 50 Н (≈5 кг) потрібна площа A=F/σ=50 / 2=25 мм². Кронштейн із поперечним-перерізом 5 мм × 5 мм (25 мм²) є мінімальним. Для навантаження 100 Н (10 кг) мінімальна площа становить 50 мм² (7 мм × 7 мм). Це мінімальні розміри; більші кронштейни забезпечують запас міцності.
Для навантажень понад 2 МПа при 180 градусах використовуйте металевий кронштейн (з нержавіючої сталі, титану або сплаву Хастеллой) з PFA покриттям або рукавом, щоб запобігти хімічному впливу. Металева скоба несе навантаження; PFA забезпечує хімічну стійкість. Крім того, підтримуйте нагрівач зверху (натяг), а не знизу (стиск), використовуючи металевий стрижень через центр нагрівача. PFA міцніший при стисканні, ніж при розтягуванні; довговічність повзучості при стиску в 2–3 рази більша, ніж при повзучості при розтягуванні за тієї самої напруги.
Існуючі кронштейни PFA, що працюють під високим навантаженням, перевіряйте щорічно на предмет деформації. Виміряйте початкові розміри кронштейна та порівняйте з поточними. Постійна деформація понад 2 мм або будь-які видимі тріщини вимагають негайної заміни. Якщо кронштейн деформувався, але не тріснув, він може продовжувати працювати, але зі зниженою потужністю. Для критичних застосувань (нагрівач може впасти в бак) замініть деформовані кронштейни незалежно від стану тріщин.
Приклад поля
Хімічний завод використовував кронштейни PFA для підтримки нагрівача вагою 15 кг (навантаження 150 Н) при 180 градусах. Поперечний переріз-кронштейна становив 10 мм × 8 мм (80 мм²), що давало σ=150/80=1.9 МПа-в безпечних межах. Через 18 місяців (≈13 000 годин) кронштейн показав 3 мм прогину, але без тріщин. Обігрівач ще підтримувався. За 2,5 роки (18 000 годин) прогин досяг 6 мм, і нагрівач просідав. Кронштейн був замінений під час планового відключення. Кронштейн не вийшов з ладу, але був близький до кінця свого терміну служби. Завод переглянув свій проект, щоб використовувати металеві кронштейни для майбутніх інсталяцій, посилаючись на необхідність необмеженого терміну служби.
Висновок: обмежте напругу кронштейна PFA до 2 МПа при 180 градусах
Реалістичний термін служби під час повзучого розриву опорного кронштейна нагрівача PFA, навантаженого при 5 МПа та 180 градусів, становить лише 500–2000 годин-недостатньо для більшості промислових застосувань. Для тривалої-служби (5,000+ годин) обмежте напругу до 2 МПа. Для навантажень понад 2 МПа використовуйте металеві кронштейни з покриттям PFA або окремі металеві опори. Якщо потрібно використовувати кронштейни PFA, вкажіть високу-кристалічність, відпалений PFA, радіус усіх кутів і щорічно перевіряйте на прогин. PFA є чудовим матеріалом для хімічної стійкості, але поганим матеріалом для тривалого навантаження-при високій температурі. Не просіть PFA робити те, що повинен робити метал. Якщо сумніваєтеся, використовуйте метал. Вартість обігрівача, що впаде в резервуар і замкнеться на стіну, набагато вища, ніж вартість правильного металевого опорного кронштейна. Сконструюйте кронштейн для навантаження, а не для зручності рішення з одного-матеріалу.
