Опорные кронштейны нагревателей из PFA-используются для размещения нагревателей в резервуарах или для крепления вспомогательного оборудования-иногда выдерживают постоянные механические нагрузки при повышенных температурах. При 180 градусах (около предела непрерывного использования PFA в 200 градусов) разрушение при ползучести становится доминирующим видом разрушения для нагруженных кронштейнов. Для кронштейна, нагруженного давлением 5 МПа (типично для нагревателя массой 10 кг, подвешенного на опоре поперечного сечения 50 мм²-), реальный срок службы до разрушения при ползучести составляет 500–2000 часов, в зависимости от марки PFA, кристалличности и качества изготовления. Это намного короче обычного срока службы обогревателя (10 000–30 000 часов). Поэтому кронштейны PFA не следует использовать при длительных нагрузках выше 2 МПа при угле 180 градусов. При нагрузках свыше 2 МПа применяют металлические кронштейны с покрытием ПФА или отдельные металлические опоры. Приведенные ниже данные о разрушении при ползучести служат руководством для безопасного проектирования.
Механизмы ползучести и разрыва на 180 градусов
При температуре 180 градусов PFA находится выше температуры стеклования (Tg=-15 градусов), но ниже точки плавления (305 градусов). Полимер обладает вязкоупругой ползучестью: под постоянной нагрузкой он непрерывно деформируется. На стадии первичной ползучести (первые 0–100 часов) деформация увеличивается с уменьшающейся скоростью. При вторичной ползучести (100–1000 часов) скорость деформации постоянна. При третичной ползучести (более 1000 часов) деформация ускоряется по мере образования пустот, а эффективное поперечное сечение- уменьшается, что приводит к разрыву. Для кронштейна из PFA, нагруженного давлением 5 МПа при температуре 180 градусов, типичное время достижения третичной ползучести составляет 200–500 часов; Разрыв происходит через 500–2000 часов. Срок службы до разрушения определяется параметром Ларсона-Миллера: LMP=T × (C + log t), где T — температура (K), t — время до разрушения (часы), а C — константа материала (≈20 для PFA). Для данного LMP более высокая температура сокращает срок службы в геометрической прогрессии.
Кристалличность PFA сильно влияет на сопротивление ползучести. PFA с высокой-кристалличностью (55–65%) имеет срок ползучести в 2–3 раза дольше, чем PFA с низкой-кристалличностью (35–45%). Отожженные брекеты (отжиг после-формования при температуре 200 градусов в течение 4 часов) также имеют более длительный срок службы (см. статью № 41). Геометрия кронштейна имеет значение: острые углы концентрируют нагрузку и сокращают срок службы на 50–80 % по сравнению с закругленными конструкциями.
Ползучесть и разрыв в зависимости от напряжения и температуры
| Температура (градусы) | Напряжение (МПа) | Класс ПФА | Кристалличность (%) | Срок службы на разрыв (часы, типично) | Режим отказа |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Стандартный | 45 | 8,000–15,000 | Чрезмерный прогиб (ползучесть) |
| 180 | 3 | Стандартный | 45 | 3,000–6,000 | Ползучесть разрыв |
| 180 | 4 | Стандартный | 45 | 1,000–2,500 | Разрыв с образованием пустот |
| 180 | 5 | Стандартный | 45 | 500–1,500 | Быстрый разрыв |
| 180 | 6 | Стандартный | 45 | 200–500 | Немедленное отклонение, разрыв |
| 180 | 5 | Высокая-кристалличность (отжиг) | 60 | 1,200–2,500 | 2 × срок службы по сравнению со стандартным |
| 180 | 5 | Низкая-кристалличность (без отжига) | 38 | 300–800 | Срок службы 50% по сравнению со стандартным |
| 160 | 5 | Стандартный | 45 | 3,000–6,000 | Более низкая температура продлевает срок службы |
| 200 | 3 | Стандартный | 45 | 500–1,500 | Около верхнего предела для PFA |
| 150 | 5 | Стандартный | 45 | 6,000–12,000 | Приемлемо для периодических нагрузок |
Рекомендации по безопасному проектированию
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5000 часов). Рассчитайте напряжение как σ=F / A, где F — нагрузка (Н), а A — минимальная площадь поперечного- сечения кронштейна (мм²). Для нагрузки 50 Н (≈5 кг) необходимая площадь A=F/σ=50 / 2=25 мм². Минимально рекомендуется использовать кронштейн с поперечным-сечением 5 мм × 5 мм (25 мм²). Для нагрузки 100 Н (10 кг) минимальная площадь составляет 50 мм² (7 мм × 7 мм). Это минимальные размеры; более крупные кронштейны обеспечивают запас прочности.
Для нагрузок выше 2 МПа при 180 градусах используйте металлический кронштейн (из нержавеющей стали, титана или сплава Хастеллой) с покрытием PFA или втулкой для предотвращения химического воздействия. Металлический кронштейн несет нагрузку; PFA обеспечивает химическую стойкость. Альтернативно, поддерживайте нагреватель сверху (растяжение), а не снизу (сжатие), используя металлический стержень, проходящий через центр нагревателя. PFA сильнее при сжатии, чем при растяжении; Срок службы ползучести при сжатии в 2–3 раза больше, чем срок службы ползучести при растяжении при том же напряжении.
Существующие кронштейны из PFA, работающие при высоких нагрузках, ежегодно проверяйте на предмет деформации. Измерьте первоначальные размеры кронштейна и сравните с текущими. Постоянное отклонение более 2 мм или видимые трещины требуют немедленной замены. Если кронштейн деформировался, но не треснул, он может продолжать работать, но с пониженной производительностью. В критических случаях (нагреватель может упасть в бак) замените деформированные кронштейны независимо от наличия трещин.
Пример поля
На химическом заводе использовались кронштейны из PFA для поддержки нагревателя массой 15 кг (нагрузка 150 Н) при температуре 180 градусов. Поперечное сечение-кронштейна составляло 10 мм × 8 мм (80 мм²), что давало σ=150/80=1.9 МПа-в пределах безопасного предела. Через 18 месяцев (≈13 000 часов) брекет прогиб составил 3 мм, но трещин не было. Нагреватель все еще поддерживался. Через 2,5 года (18 000 часов) прогиб достиг 6 мм, нагреватель просел. Кронштейн был заменен во время планового останова. Кронштейн не вышел из строя, но срок его службы подходил к концу. Завод пересмотрел свою конструкцию, чтобы использовать металлические кронштейны для будущих установок, сославшись на необходимость неограниченного срока службы.
Вывод: Ограничьте напряжение кронштейна PFA до 2 МПа при угле 180 градусов.
Реальный срок службы опорного кронштейна нагревателя из PFA при нагрузке 5 МПа и температуре 180 градусов до разрушения при ползучести составляет всего 500–2000 часов,-что недостаточно для большинства промышленных применений. Для длительной-службы (5,000+ часов) ограничьте нагрузку до 2 МПа. При нагрузках свыше 2 МПа применяют металлические кронштейны с покрытием ПФА или отдельные металлические опоры. Если необходимо использовать кронштейны из PFA, укажите PFA с высокой-кристалличностью, отожженный, скруглите все углы и ежегодно проверяйте на предмет отклонения. PFA — превосходный материал с химической стойкостью, но плохой материал для выдерживания длительных нагрузок-при высоких температурах. Не просите PFA делать то, что должен делать металл. Если сомневаетесь, используйте металл. Стоимость нагревателя, упавшего в бак и закороченного о стену, намного превышает стоимость надлежащего металлического опорного кронштейна. Спроектируйте кронштейн для нагрузки, а не для удобства использования одного-материала.
