Podpěrné držáky ohřívačů PFA-používané k umístění ohřívačů v nádržích nebo k držení pomocných zařízení-příležitostně nesou trvalé mechanické zatížení při zvýšených teplotách. Při 180 stupních (blízko limitu nepřetržitého používání PFA 200 stupňů) se tečení stává dominantním způsobem selhání zatížených držáků. Pro konzolu zatíženou 5 MPa (typické pro 10 kg ohřívač visící na podpěře průřezu 50 mm²-) je realistická životnost při tečení 500–2 000 hodin v závislosti na jakosti PFA, krystalinitě a kvalitě výroby. To je mnohem kratší než typická životnost ohřívače (10 000–30 000 hodin). Proto by konzoly PFA neměly být používány pro trvalé zatížení nad 2 MPa při 180 stupních. Pro zatížení nad 2 MPa použijte kovové konzoly s PFA povlakem nebo samostatné kovové podpěry. Níže uvedené údaje o tečení poskytují návod pro bezpečný návrh.
Mechanismy tečení při 180 stupních
Při 180 stupních je PFA nad svým skelným přechodem (Tg=-15 stupeň), ale pod bodem tání (305 stupňů). Polymer vykazuje viskoelastické tečení: při konstantním zatížení se nepřetržitě deformuje. V primární fázi tečení (prvních 0–100 hodin) se napětí zvyšuje klesající rychlostí. Při sekundárním tečení (100–1 000 hodin) je rychlost deformace konstantní. Při terciárním tečení (nad 1000 hodin) se napětí zrychluje, protože se tvoří dutiny a účinný průřez se zmenšuje, což vede k prasknutí. Pro konzolu PFA zatíženou 5 MPa při 180 stupních je typická doba k dosažení terciárního tečení 200–500 hodin; k prasknutí dochází za 500–2000 hodin. Životnost při protržení se řídí Larsonovým-Millerovým parametrem: LMP=T × (C + log t), kde T je teplota (K), t je čas do protržení (hodiny) a C je materiálová konstanta (≈20 pro PFA). Pro daný LMP vyšší teplota exponenciálně snižuje životnost.
Krystalinita PFA silně ovlivňuje odolnost proti tečení. PFA s vysokou krystalinitou (55–65 %) má 2–3× delší životnost při tečení než PFA s nízkou{6}}krystalinitou (35–45 %). Žíhané držáky (po{10}}žíhání po formování při 200 stupních po dobu 4 hodin) také vykazují delší životnost (viz článek #41). Na geometrii držáku záleží: ostré rohy soustřeďují napětí a snižují životnost o 50–80 % ve srovnání se zaoblenými konstrukcemi.
Creep Rupture Life podle stresu a teploty
| Teplota (stupně) | Stres (MPa) | Stupeň PFA | Krystalinita (%) | Životnost protržení (hodiny, typicky) | Režim selhání |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Norma | 45 | 8,000–15,000 | Nadměrná deformace (tečení) |
| 180 | 3 | Norma | 45 | 3,000–6,000 | Creep ruptura |
| 180 | 4 | Norma | 45 | 1,000–2,500 | Prasknutí s tvorbou dutin |
| 180 | 5 | Norma | 45 | 500–1,500 | Rychlé prasknutí |
| 180 | 6 | Norma | 45 | 200–500 | Okamžité vychýlení, prasknutí |
| 180 | 5 | Vysoká-krystalinita (žíhaná) | 60 | 1,200–2,500 | 2× životnost vs |
| 180 | 5 | Nízká-krystalinita (nežíhaná) | 38 | 300–800 | 50% životnost vs. standard |
| 160 | 5 | Norma | 45 | 3,000–6,000 | Nižší teplota prodlužuje životnost |
| 200 | 3 | Norma | 45 | 500–1,500 | Blíží se horní hranici PFA |
| 150 | 5 | Norma | 45 | 6,000–12,000 | Přijatelné pro přerušované zatížení |
Doporučení pro bezpečný design
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5 000 hodin). Vypočítejte napětí jako σ=F / A, kde F je zatížení (N) a A je minimální plocha průřezu- konzoly (mm²). Pro zatížení 50 N (≈5 kg) je požadovaná plocha A=F/σ=50 / 2=25 mm². Minimální je držák s průřezem-5 mm × 5 mm (25 mm²). Pro zatížení 100 N (10 kg) je minimální plocha 50 mm² (7 mm × 7 mm). Jedná se o minimální velikosti; větší držáky poskytují bezpečnostní rezervu.
Pro zatížení nad 2 MPa při 180 stupních použijte kovový držák (nerezová ocel, titan nebo Hastelloy) s PFA povlakem nebo pouzdrem, aby se zabránilo chemickému napadení. Kovová konzola nese zátěž; PFA poskytuje chemickou odolnost. Alternativně podepřete ohřívač shora (napětí) spíše než zespodu (stlačení) pomocí kovové tyče skrz střed ohřívače. PFA je silnější v tlaku než v tahu; životnost při tečení v tlaku je 2–3× delší než životnost při tečení v tahu při stejném namáhání.
U stávajících konzol PFA pracujících při vysokém namáhání kontrolujte každoročně, zda nejsou zdeformované. Změřte původní rozměry držáku a porovnejte je se současnými. Trvalá deformace přesahující 2 mm nebo jakékoli viditelné praskliny zaručují okamžitou výměnu. Pokud se držák zdeformoval, ale nepraskl, může nadále fungovat, ale se sníženou kapacitou. U kritických aplikací (ohřívač by mohl spadnout do nádrže) vyměňte deformované držáky bez ohledu na stav prasklin.
Příklad pole
Chemický závod používal držáky PFA k podpoře 15 kg ohřívače (zatížení 150 N) při 180 stupních. Průřez držáku- byl 10 mm × 8 mm (80 mm²), což dává σ=150/80=1.9 MPa- v rámci bezpečného limitu. Po 18 měsících (≈13 000 hodin) držák vykazoval 3 mm prohnutí, ale žádné praskliny. Topení bylo stále podporováno. Po 2,5 letech (18 000 hodinách) dosáhl průhyb 6 mm a ohřívač se prověšoval. Držák byl vyměněn během plánované odstávky. Držák neselhal, ale byl na konci své životnosti. Závod revidoval svůj design tak, aby používal kovové konzoly pro budoucí instalace s odkazem na potřebu neomezené životnosti.
Závěr: Omezte napětí konzoly PFA na 2 MPa při 180 stupních
Reálná životnost podpěrného držáku ohřívače PFA při tečení při 5 MPa a 180 stupních je pouze 500–2 000 hodin-pro většinu průmyslových aplikací nedostatečná. V případě dlouhodobého-provozu (5,000+ hodin) omezte zátěž na 2 MPa. Pro zatížení nad 2 MPa použijte kovové konzoly s PFA povlakem nebo samostatné kovové podpěry. Pokud je nutné použít závorky PFA, určete vysokou-krystalinitu, žíhané PFA, poloměr všech rohů a každoročně kontrolujte prohnutí. PFA je vynikající materiál pro chemickou odolnost, ale špatný materiál pro trvalé zatížení-při vysokých teplotách. Nežádejte PFA, aby dělal to, co by měl dělat kov. V případě pochybností použijte kov. Náklady na to, že ohřívač spadne do nádrže a zkratuje se proti zdi, je mnohem vyšší než cena správné kovové podpěry. Konzolu navrhněte pro zatížení, nikoli pro pohodlí-jednotlivého řešení.
