Giá đỡ bộ sưởi PFA-dùng để định vị bộ sưởi trong bể chứa hoặc để giữ thiết bị phụ trợ-đôi khi chịu tải trọng cơ học liên tục ở nhiệt độ cao. Ở 180 độ (gần giới hạn sử dụng liên tục của PFA là 200 độ), đứt gãy từ biến trở thành dạng hư hỏng chủ yếu đối với các giá đỡ chịu tải. Đối với giá đỡ chịu tải ở mức 5 MPa (điển hình cho bộ sưởi 10 kg treo trên giá đỡ mặt cắt ngang 50 mm²), tuổi thọ đứt gãy thực tế là 500–2.000 giờ, tùy thuộc vào cấp PFA, độ kết tinh và chất lượng sản xuất. Thời gian này ngắn hơn nhiều so với tuổi thọ sử dụng của máy sưởi thông thường (10.000–30.000 giờ). Do đó, không nên sử dụng giá đỡ PFA cho tải trọng duy trì trên 2 MPa ở góc 180 độ. Đối với tải trọng trên 2 MPa, hãy sử dụng giá đỡ bằng kim loại có lớp phủ PFA hoặc các giá đỡ bằng kim loại riêng biệt. Dữ liệu đứt gãy từ biến dưới đây cung cấp hướng dẫn cho thiết kế an toàn.
Cơ chế đứt gãy ở 180 độ
Ở 180 độ, PFA ở trên mức chuyển tiếp thủy tinh (Tg=-15 độ) nhưng ở dưới điểm nóng chảy (305 độ). Polyme có tính đàn hồi nhớt: dưới tải trọng không đổi, nó biến dạng liên tục. Trong giai đoạn rão sơ cấp (0–100 giờ đầu tiên), sức căng tăng với tốc độ giảm dần. Ở giai đoạn rão thứ cấp (100–1.000 giờ), tốc độ biến dạng không đổi. Ở giai đoạn rão cấp ba (trên 1.000 giờ), sức căng tăng lên khi các khoảng trống hình thành và mặt cắt ngang hiệu quả{14}}giảm xuống, dẫn đến đứt gãy. Đối với giá đỡ PFA được tải ở mức 5 MPa ở 180 độ, thời gian thông thường để đạt được độ rão cấp ba là 200–500 giờ; đứt gãy xảy ra ở 500–2.000 giờ. Tuổi thọ đứt gãy tuân theo tham số Larson-Miller: LMP=T × (C + log t), trong đó T là nhiệt độ (K), t là thời gian đứt gãy (giờ) và C là hằng số vật liệu (≈20 đối với PFA). Đối với một LMP nhất định, nhiệt độ cao hơn sẽ làm giảm tuổi thọ theo cấp số nhân.
Độ kết tinh của PFA ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng chống rão. PFA có độ kết tinh-cao (55–65%) có tuổi thọ dài hơn 2–3× so với PFA có độ kết tinh-thấp (35–45%). Giá đỡ được ủ (ủ{10}}đúc sau ở 200 độ trong 4 giờ) cũng cho thấy tuổi thọ dài hơn (xem Điều #41). Hình dạng khung có vai trò quan trọng: các góc nhọn tập trung lực căng và giảm tuổi thọ từ 50–80% so với thiết kế có bán kính.
Cuộc sống rạn nứt do căng thẳng và nhiệt độ
| Nhiệt độ (độ) | Căng thẳng (MPa) | Lớp PFA | Độ kết tinh (%) | Cuộc sống vỡ vụn (giờ, điển hình) | Chế độ lỗi |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Tiêu chuẩn | 45 | 8,000–15,000 | Độ lệch quá mức (leo) |
| 180 | 3 | Tiêu chuẩn | 45 | 3,000–6,000 | đứt gãy |
| 180 | 4 | Tiêu chuẩn | 45 | 1,000–2,500 | Vỡ và hình thành khoảng trống |
| 180 | 5 | Tiêu chuẩn | 45 | 500–1,500 | Vỡ nhanh |
| 180 | 6 | Tiêu chuẩn | 45 | 200–500 | Độ lệch, đứt gãy ngay lập tức |
| 180 | 5 | Độ kết tinh-cao (ủ) | 60 | 1,200–2,500 | 2× cuộc sống so với tiêu chuẩn |
| 180 | 5 | Độ kết tinh-thấp (không được ủ) | 38 | 300–800 | Tuổi thọ 50% so với tiêu chuẩn |
| 160 | 5 | Tiêu chuẩn | 45 | 3,000–6,000 | Nhiệt độ thấp hơn kéo dài tuổi thọ |
| 200 | 3 | Tiêu chuẩn | 45 | 500–1,500 | Gần giới hạn trên của PFA |
| 150 | 5 | Tiêu chuẩn | 45 | 6,000–12,000 | Có thể chấp nhận cho tải không liên tục |
Khuyến nghị thiết kế an toàn
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5.000 giờ). Tính ứng suất theo σ=F / A, trong đó F là tải trọng (N) và A là diện tích mặt cắt ngang tối thiểu- của giá đỡ (mm²). Đối với tải trọng 50 N (≈5 kg), diện tích yêu cầu A=F/σ=50 / 2=25 mm². Giá đỡ có mặt cắt ngang{12}}5 mm × 5 mm (25 mm²) là giá trị tối thiểu. Đối với tải 100 N (10 kg), diện tích tối thiểu là 50 mm² (7 mm × 7 mm). Đây là những kích thước tối thiểu; dấu ngoặc lớn hơn cung cấp biên độ an toàn.
Đối với tải trọng trên 2 MPa ở 180 độ, hãy sử dụng giá đỡ kim loại (thép không gỉ, titan hoặc Hastelloy) có lớp phủ hoặc ống bọc PFA để ngăn chặn sự tấn công hóa học. Giá đỡ kim loại chịu tải; PFA cung cấp khả năng kháng hóa chất. Ngoài ra, hãy đỡ bộ sưởi từ phía trên (căng thẳng) thay vì từ phía dưới (nén) bằng cách sử dụng một thanh kim loại xuyên qua tâm bộ sưởi. PFA khi nén mạnh hơn khi căng; Tuổi thọ từ biến nén dài hơn 2–3 lần tuổi thọ từ biến kéo ở cùng một ứng suất.
Đối với các giá đỡ PFA hiện có hoạt động ở ứng suất cao, hãy kiểm tra biến dạng hàng năm. Đo kích thước ban đầu của giá đỡ và so sánh với kích thước hiện tại. Độ lệch vĩnh viễn vượt quá 2 mm hoặc bất kỳ vết nứt nào có thể nhìn thấy được cần phải thay thế ngay lập tức. Nếu giá đỡ bị biến dạng nhưng không bị nứt, nó có thể tiếp tục hoạt động nhưng ở công suất giảm. Đối với các ứng dụng quan trọng (bộ gia nhiệt có thể rơi vào bể), hãy thay thế các giá đỡ bị biến dạng bất kể tình trạng nứt.
Ví dụ trường
Một nhà máy hóa chất đã sử dụng giá đỡ PFA để đỡ lò sưởi 15 kg (tải 150 N) ở góc 180 độ. Mặt cắt ngang của khung-có kích thước 10 mm × 8 mm (80 mm²), mang lại σ=150/80=1.9 MPa-trong giới hạn an toàn. Sau 18 tháng (≈13.000 giờ), giá đỡ có độ lệch 3 mm nhưng không có vết nứt. Máy sưởi vẫn được hỗ trợ. Sau 2,5 năm (18.000 giờ), độ lệch đạt tới 6 mm và lò sưởi bị võng. Giá đỡ đã được thay thế trong quá trình tắt máy theo lịch trình. Giá đỡ không bị hỏng nhưng đã gần hết thời gian sử dụng. Nhà máy đã sửa đổi thiết kế của mình để sử dụng giá đỡ kim loại cho các công trình lắp đặt trong tương lai với lý do cần có tuổi thọ vô thời hạn.
Kết luận: Giới hạn ứng suất khung PFA ở mức 2 MPa ở 180 độ
Tuổi thọ đứt gãy thực tế của giá đỡ bộ sưởi PFA chịu tải ở 5 MPa và 180 độ chỉ là 500–2.000 giờ-không đủ cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp. Đối với dịch vụ dài hạn-(5,000+ giờ), hãy giới hạn áp suất ở mức 2 MPa. Đối với tải trọng trên 2 MPa, hãy sử dụng giá đỡ bằng kim loại có lớp phủ PFA hoặc các giá đỡ bằng kim loại riêng biệt. Nếu phải sử dụng giá đỡ PFA, hãy chỉ định độ kết tinh{14}cao, PFA đã ủ, bán kính tất cả các góc và kiểm tra độ võng hàng năm. PFA là vật liệu tuyệt vời có khả năng kháng hóa chất nhưng lại là vật liệu kém để chịu tải{16}}ở nhiệt độ cao. Đừng yêu cầu PFA làm những gì kim loại nên làm. Khi nghi ngờ, hãy sử dụng kim loại. Chi phí của một lò sưởi rơi vào bể chứa và chập vào tường lớn hơn nhiều so với chi phí của một giá đỡ bằng kim loại thích hợp. Thiết kế khung cho tải chứ không phải để thuận tiện cho một giải pháp vật liệu đơn lẻ.
