Los soportes de soporte del calentador de PFA-utilizados para colocar calentadores en tanques o para sostener equipos auxiliares-ocasionalmente soportan cargas mecánicas sostenidas a temperaturas elevadas. A 180 grados (cerca del límite de uso continuo de PFA de 200 grados), la ruptura por fluencia se convierte en el modo de falla dominante para los brackets cargados. Para un soporte cargado a 5 MPa (típico para un calentador de 10 kg que cuelga de un soporte de sección transversal de 50 mm²), la vida útil realista de rotura por fluencia es de 500 a 2000 horas, dependiendo del grado de PFA, la cristalinidad y la calidad de fabricación. Esto es mucho más corto que la vida útil típica de un calentador (10 000 a 30 000 horas). Por lo tanto, los soportes de PFA no deben usarse para cargas sostenidas superiores a 2 MPa a 180 grados. Para cargas superiores a 2 MPa, utilice soportes metálicos con revestimiento de PFA o soportes metálicos separados. Los datos de ruptura por fluencia que aparecen a continuación proporcionan orientación para un diseño seguro.
Mecanismos de ruptura por fluencia a 180 grados
A 180 grados, el PFA está por encima de su transición vítrea (Tg=-15 grados) pero por debajo de su punto de fusión (305 grados). El polímero presenta fluencia viscoelástica: bajo carga constante, se deforma continuamente. En la etapa de fluencia primaria (primeras 0 a 100 horas), la deformación aumenta a un ritmo decreciente. En la fluencia secundaria (100 a 1000 horas), la tasa de deformación es constante. En la fluencia terciaria (más de 1000 horas), la deformación se acelera a medida que se forman huecos y la sección transversal efectiva-se reduce, lo que provoca la ruptura. Para un soporte de PFA cargado a 5 MPa a 180 grados, el tiempo típico para alcanzar la fluencia terciaria es de 200 a 500 horas; la ruptura ocurre entre 500 y 2000 horas. La vida de ruptura sigue el parámetro de Larson-Miller: LMP=T × (C + log t), donde T es la temperatura (K), t es el tiempo de ruptura (horas) y C es una constante del material (≈20 para PFA). Para un LMP determinado, una temperatura más alta reduce la vida exponencialmente.
La cristalinidad del PFA afecta fuertemente la resistencia a la fluencia. El PFA de alta-cristalinidad (55–65%) tiene una vida útil entre 2 y 3 veces más larga que el PFA de baja-cristalinidad (35–45%). Los brackets recocidos (recocido post-moldeo a 200 grados durante 4 horas) también muestran una vida más larga (consulte el artículo 41). La geometría del soporte es importante: las esquinas afiladas concentran la tensión y reducen la vida útil entre un 50% y un 80% en comparación con los diseños redondeados.
Vida de ruptura por fluencia por estrés y temperatura
| Temperatura (grados) | Estrés (MPa) | Grado PFA | Cristalinidad (%) | Vida de ruptura (horas, típica) | Modo de falla |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Estándar | 45 | 8,000–15,000 | Deflexión excesiva (deslizamiento) |
| 180 | 3 | Estándar | 45 | 3,000–6,000 | ruptura por fluencia |
| 180 | 4 | Estándar | 45 | 1,000–2,500 | Ruptura con formación de vacíos. |
| 180 | 5 | Estándar | 45 | 500–1,500 | ruptura rápida |
| 180 | 6 | Estándar | 45 | 200–500 | Deflexión inmediata, ruptura |
| 180 | 5 | Alta-cristalinidad (recocida) | 60 | 1,200–2,500 | 2× vida vs. estándar |
| 180 | 5 | Baja-cristalinidad (sin recocer) | 38 | 300–800 | 50 % de vida útil frente al estándar |
| 160 | 5 | Estándar | 45 | 3,000–6,000 | Una temperatura más baja prolonga la vida |
| 200 | 3 | Estándar | 45 | 500–1,500 | Cerca del límite superior para PFA |
| 150 | 5 | Estándar | 45 | 6,000–12,000 | Aceptable para cargas intermitentes |
Recomendaciones de diseño seguro
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5.000 horas). Calcule la tensión como σ=F / A, donde F es la carga (N) y A es el área de sección transversal- mínima del soporte (mm²). Para una carga de 50 N (≈5 kg), área requerida A=F/σ=50 / 2=25 mm². Lo mínimo es un soporte con una sección transversal-de 5 mm × 5 mm (25 mm²). Para una carga de 100 N (10 kg), el área mínima es de 50 mm² (7 mm × 7 mm). Estos son tamaños mínimos; Los soportes más grandes proporcionan un margen de seguridad.
Para cargas superiores a 2 MPa a 180 grados, utilice un soporte metálico (acero inoxidable, titanio o Hastelloy) con un revestimiento o funda de PFA para evitar ataques químicos. El soporte metálico soporta la carga; el PFA proporciona resistencia química. Alternativamente, apoye el calentador desde arriba (tensión) en lugar de desde abajo (compresión) usando una varilla de metal a través del centro del calentador. El PFA es más fuerte en compresión que en tensión; La vida de fluencia por compresión es de 2 a 3 veces más larga que la vida de fluencia por tracción para la misma tensión.
Para los soportes de PFA existentes que funcionan con alta tensión, inspeccione anualmente para detectar deformaciones. Mida las dimensiones originales del soporte y compárelas con las actuales. Una deflexión permanente superior a 2 mm o cualquier grieta visible justifica su reemplazo inmediato. Si el soporte se ha deformado pero no se ha agrietado, puede seguir funcionando pero con una capacidad reducida. Para aplicaciones críticas (el calentador podría caerse al tanque), reemplace los soportes deformados independientemente del estado de las grietas.
Ejemplo de campo
Una planta química utilizó soportes de PFA para soportar un calentador de 15 kg (carga de 150 N) a 180 grados. La sección transversal-del soporte era de 10 mm × 8 mm (80 mm²), lo que da σ=150/80=1.9 MPa-dentro del límite seguro. Después de 18 meses (≈13.000 horas), el soporte mostró 3 mm de deflexión pero sin grietas. El calentador todavía estaba soportado. A los 2,5 años (18.000 horas), la deflexión alcanzó los 6 mm y el calentador estaba hundido. El soporte fue reemplazado durante una parada programada. El soporte no había fallado pero estaba cerca del final de su vida útil. La planta revisó su diseño para utilizar soportes metálicos en futuras instalaciones, citando la necesidad de una vida útil indefinida.
Conclusión: limite la tensión del soporte de PFA a 2 MPa a 180 grados
La vida realista de rotura por fluencia de un soporte de calentador de PFA cargado a 5 MPa y 180 grados es solo de 500 a 2000 horas-insuficiente para la mayoría de las aplicaciones industriales. Para un servicio de largo plazo-(5,000+ horas), limite la tensión a 2 MPa. Para cargas superiores a 2 MPa, utilice soportes metálicos con revestimiento de PFA o soportes metálicos separados. Si se deben usar soportes de PFA, especifique una cristalinidad alta-, PFA recocido, radios en todas las esquinas e inspeccione anualmente para ver si hay deflexión. El PFA es un material excelente para la resistencia química, pero es un material deficiente para soportar cargas sostenidas-a altas temperaturas. No le pidas a PFA que haga lo que debería hacer el metal. En caso de duda, utilice metal. El costo de que un calentador caiga dentro de un tanque y haga un cortocircuito contra la pared es mucho mayor que el costo de un soporte de soporte metálico adecuado. Diseñe el soporte para la carga, no para la conveniencia de una solución de un solo-material.
