Podporni nosilci grelnika PFA-ki se uporabljajo za namestitev grelnikov v rezervoarje ali za držanje pomožne opreme-občasno prenašajo trajne mehanske obremenitve pri povišanih temperaturah. Pri 180 stopinjah (blizu meje neprekinjene uporabe PFA 200 stopinj) postane prelom zaradi lezenja prevladujoč način odpovedi za obremenjene nosilce. Za nosilec, obremenjen pri 5 MPa (običajno za 10 kg grelnik, ki visi na nosilcu s prečnim prerezom 50 mm²), je realna življenjska doba proti lezenju 500–2000 ur, odvisno od stopnje PFA, kristaliničnosti in kakovosti izdelave. To je veliko krajše od običajne življenjske dobe grelnika (10.000–30.000 ur). Zato se nosilci iz PFA ne smejo uporabljati za trajne obremenitve nad 2 MPa pri 180 stopinjah. Za obremenitve nad 2 MPa uporabite kovinske nosilce s PFA premazom ali ločene kovinske nosilce. Spodnji podatki o zlomu zaradi lezenja so napotki za varno načrtovanje.
Mehanizmi za lomljenje pri 180 stopinjah
Pri 180 stopinjah je PFA nad steklastim prehodom (Tg=-15 stopinj), vendar pod tališčem (305 stopinj). Polimer kaže viskoelastično lezenje: pod stalno obremenitvijo se nenehno deformira. V primarni fazi lezenja (prvih 0–100 ur) se deformacija povečuje z upadajočo hitrostjo. Pri sekundarnem lezenju (100–1000 ur) je hitrost deformacije konstantna. Pri terciarnem lezenju (več kot 1000 ur) se deformacija pospeši, ko nastanejo praznine, efektivni prerez-se zmanjša, kar vodi do zloma. Za nosilec PFA, obremenjen pri 5 MPa pri 180 stopinjah, je tipični čas za doseganje terciarnega lezenja 200–500 ur; do rupture pride pri 500–2000 urah. Življenjska doba porušitve sledi Larson-Millerjevemu parametru: LMP=T × (C + log t), kjer je T temperatura (K), t čas do porušitve (ure), C pa konstanta materiala (≈20 za PFA). Za dano LMP višja temperatura eksponentno zmanjša življenjsko dobo.
Kristaličnost PFA močno vpliva na odpornost proti lezenju. PFA z visoko-kristaliničnostjo (55–65 %) ima 2–3x daljšo dobo lezenja kot PFA z nizko-kristaliničnostjo (35–45 %). Žarjeni nosilci (žarjenje po-livanju pri 200 stopinjah 4 ure) prav tako kažejo daljšo življenjsko dobo (glejte člen št. 41). Geometrija nosilca je pomembna: ostri vogali koncentrirajo napetost in skrajšajo življenjsko dobo za 50–80 % v primerjavi z zaobljenimi oblikami.
Življenjska doba zaradi plazenja zaradi stresa in temperature
| Temperatura (stopinja) | Obremenitev (MPa) | Stopnja PFA | Kristaličnost (%) | Življenjska doba rupture (ure, tipično) | Način napake |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Standardno | 45 | 8,000–15,000 | Prevelik upogib (lezenje) |
| 180 | 3 | Standardno | 45 | 3,000–6,000 | Razpoka zaradi plazenja |
| 180 | 4 | Standardno | 45 | 1,000–2,500 | Ruptura s tvorbo praznine |
| 180 | 5 | Standardno | 45 | 500–1,500 | Hitra ruptura |
| 180 | 6 | Standardno | 45 | 200–500 | Takojšen odklon, ruptura |
| 180 | 5 | Visoka{0}}kristalnost (žarjeno) | 60 | 1,200–2,500 | 2× življenje v primerjavi s standardnim |
| 180 | 5 | Nizka-kristalnost (nerazžarjeno) | 38 | 300–800 | 50 % življenjske dobe v primerjavi s standardom |
| 160 | 5 | Standardno | 45 | 3,000–6,000 | Nižja temperatura podaljša življenjsko dobo |
| 200 | 3 | Standardno | 45 | 500–1,500 | Blizu zgornje meje za PFA |
| 150 | 5 | Standardno | 45 | 6,000–12,000 | Sprejemljivo za občasne obremenitve |
Priporočila za varno načrtovanje
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5000 ur). Izračunajte napetost kot σ=F / A, kjer je F obremenitev (N) in A najmanjša površina prečnega-prereza nosilca (mm²). Za obremenitev 50 N (≈5 kg) zahtevana površina A=F/σ=50 / 2=25 mm². Nosilec s prečnim-prerezom 5 mm × 5 mm (25 mm²) je najmanjši. Za obremenitev 100 N (10 kg) je najmanjša površina 50 mm² (7 mm × 7 mm). To so minimalne velikosti; večji nosilci zagotavljajo varnostno rezervo.
Za obremenitve nad 2 MPa pri 180 stopinjah uporabite kovinski nosilec (iz nerjavečega jekla, titana ali Hastelloyja) s prevleko PFA ali tulcem, da preprečite kemični napad. Kovinski nosilec nosi obremenitev; PFA zagotavlja kemično odpornost. Druga možnost je, da podprete grelec od zgoraj (napetost) namesto od spodaj (stiskanje) s kovinsko palico skozi središče grelca. PFA je močnejši pri stiskanju kot pri napetosti; življenjska doba pri tlačnem lezenju je 2–3× daljša od življenjske dobe pri nateznem lezenju pri enaki napetosti.
Pri obstoječih nosilcih iz PFA, ki delujejo pod visoko obremenitvijo, je treba vsako leto preveriti morebitne deformacije. Izmerite originalne dimenzije nosilca in jih primerjajte s trenutnimi. Trajna deformacija, večja od 2 mm, ali kakršne koli vidne razpoke zahtevajo takojšnjo zamenjavo. Če se je nosilec deformiral, vendar ni počil, lahko še naprej deluje, vendar z zmanjšano zmogljivostjo. Za kritične aplikacije (grelec bi lahko padel v rezervoar) zamenjajte deformirane nosilce ne glede na stanje razpok.
Primer polja
Kemična tovarna je uporabila nosilce PFA za podporo 15 kg grelnika (obremenitev 150 N) pri 180 stopinjah. Prerez nosilca-je bil 10 mm × 8 mm (80 mm²), kar je dalo σ=150/80=1.9 MPa-znotraj varne meje. Po 18 mesecih (≈13.000 ur) je nosilec pokazal 3 mm upogiba, vendar brez razpok. Grelec je bil še vedno podprt. Po 2,5 letih (18.000 urah) je upogib dosegel 6 mm, grelnik pa je povešen. Nosilec je bil zamenjan med načrtovano zaustavitvijo. Nosilec ni odpovedal, ampak je bil blizu konca svoje življenjske dobe. Tovarna je spremenila svojo zasnovo za uporabo kovinskih nosilcev za prihodnje instalacije, pri čemer je navedla potrebo po neomejeni življenjski dobi.
Zaključek: Omejite obremenitev nosilca PFA na 2 MPa pri 180 stopinjah
Realistična življenjska doba podpornega nosilca grelnika PFA proti lezenju, obremenjenega pri 5 MPa in 180 stopinjah, je samo 500–2000 ur-nezadostna za večino industrijskih aplikacij. Za dolgo-delovanje (5,000+ ur) omejite napetost na 2 MPa. Za obremenitve nad 2 MPa uporabite kovinske nosilce s PFA premazom ali ločene kovinske nosilce. Če je treba uporabiti nosilce iz PFA, določite visoko{14}}kristaliničnost, žarjeni PFA, polmer vseh vogalov in vsako leto preverite glede upogiba. PFA je odličen material za kemično odpornost, vendar slab material za trajno obremenitev-pri visoki temperaturi. Ne zahtevajte od PFA, da naredi tisto, kar bi morala storiti kovina. Če ste v dvomih, uporabite kovino. Stroški grelnika, ki pade v rezervoar in pride do kratkega stika s steno, so veliko večji od stroškov ustreznega kovinskega nosilca. Konstruirajte nosilec za obremenitev, ne za udobje rešitve iz enega-materiala.
