Menggunakan pemanas rendaman PFA sebagai sokongan mekanikal-contohnya, memegang plat penyekat, menyokong penderia suhu atau bertindak sebagai ahli struktur-mengenakan tegasan statik yang mampan pada sarung polimer dan bebibir pelekap. Di bawah tegasan yang mencukupi, PFA beralih daripada rayapan viskoelastik linear (boleh dipulihkan, kadar terikan bebas masa-) kepada rayapan bukan-linear (tegangan memecut yang membawa kepada pecah). Permulaan rayapan bukan-linear berlaku apabila tegasan yang dikenakan melebihi lebih kurang 20–30% daripada kekuatan hasil jangka pendek-polimer pada suhu operasi. Untuk PFA pada 100 darjah (kekuatan hasil kira-kira 12-15 MPa), ambang tegasan kritikal ialah 2.5-4.5 MPa. Pemanas yang digunakan sebagai penyokong dengan tegasan lentur melebihi 3 MPa akan memasuki rayapan bukan{18}}linear dalam masa 500–2,000 jam, yang membawa kepada ubah bentuk kekal, penipisan dinding pada titik sokongan dan akhirnya pecah sarung. Meramalkan permulaan memerlukan pengiraan tekanan berterusan maksimum daripada beban mekanikal yang digunakan dan membandingkannya dengan ambang rayapan bergantung pada suhu-.
Linear lwn. Bukan{1}}Linear Creep dalam PFA
Dalam rejim viskoelastik linear (tegasan di bawah ambang), PFA berubah bentuk pada kadar rayapan malar: ε=σ × J(t), dengan J(t) ialah pematuhan rayapan (bergantung-masa tetapi tegasan-bebas). Ubah bentuk kekal boleh dipulihkan semasa memunggah, dan bahan tidak terkumpul kerosakan kekal. Untuk pemanas PFA yang menyokong jisim 2 kg (daya 20 N) yang diagihkan sepanjang 10 cm, tegasan lentur dalam tiub diameter 25 mm dengan dinding 2 mm adalah kira-kira σ=M × y / I. Untuk rasuk yang disokong ringkas dengan beban tengah, momen lentur maksimum M=F×L/{0.}}}/{0.}}}/{0.3} Modulus bahagian Z=π × (D⁴ - d⁴)/(32×D) ≈ 1.5e-6 m³. Tegasan σ=M/Z=0.5 / 1.5e-6=0.33 MPa-jauh di bawah ambang. Pemanas sedemikian akan menyokong beban selama-lamanya tanpa rayapan bukan linear.
Dalam rejim rayapan bukan-linear (tegasan melebihi ambang), kadar rayapan menjadi bergantung-dan memecut dengan masa: ε=A × σ^n × t^m, di mana n > 3 dan m > 1. Bahan memasuki rayapan tertier, di mana lompang terbentuk setempat, ketebalan dinding berkurangan pada beban yang kecil. keratan-, mempercepatkan kegagalan. Untuk pemanas PFA yang menyokong jisim 20 kg (200 N), tegasan lentur=3.3 MPa-pada ambang untuk 100 darjah . Pada tekanan ini, rayapan bukan{13}}linear bermula selepas 1,000–2,000 jam. Tiub akan tunduk dengan jelas (pesongan 5–10 mm) dan terus mengendur dari semasa ke semasa. Penipisan dinding pada jejari luar haluan mengurangkan ketebalan setempat daripada 2.0 mm kepada 1.5–1.7 mm dalam masa 5,000 jam, mewujudkan laluan resapan.
Suhu-Ambang Rayapan Bergantung
| Suhu Operasi (darjah) | Kekuatan Hasil PFA (MPa, 0.2% offset) | Bukan-Ambang Rayapan Linear (20–30% daripada hasil) | Tekanan Kritikal untuk Pecah Rayapan 1,000 jam | Beban Biasa pada Tiub 25 mm (N) untuk Mencapai Ambang* |
|---|---|---|---|---|
| 20 darjah (bilik) | 25–28 | 5.0–8.5 MPa | 12–15 MPa | 300–500 N (30–50 kg) |
| 50 darjah | 18–22 | 3.5–6.5 MPa | 8–10 MPa | 200–350 N (20–35 kg) |
| 80 darjah | 14–17 | 3.0–5.0 MPa | 6–8 MPa | 150–250 N (15–25 kg) |
| 100 darjah | 12–15 | 2.5–4.5 MPa | 5–7 MPa | 120–200 N (12–20 kg) |
| 120 darjah | 9–12 | 2.0–3.5 MPa | 4–5 MPa | 80–150 N (8–15 kg) |
| 140 darjah | 7–10 | 1.5–3.0 MPa | 3–4 MPa | 60–100 N (6–10 kg) |
| 150 darjah | 6–8 | 1.2–2.5 MPa | 2–3 MPa | 40–80 N (4–8 kg) |
*Untuk rasuk yang disokong ringkas (L=200 mm) dengan beban tengah pada tiub dinding 25 mm OD × 2 mm.
Meramalkan Permulaan Menggunakan-Prinsip Superposisi Suhu
Untuk tegasan yang diberikan, masa untuk permulaan rayapan bukan{0}}linear mengikuti perhubungan Arrhenius: t_onset=t_ref × exp[E_a/R × (1/T - 1/T_ref)], dengan E_a ialah tenaga pengaktifan untuk rayapan (kira-kira 80–100 kJ/mol pada suhu rujukan) tekanan. Untuk tegasan pada ambang hasil 20%, t_ref pada 100 darjah adalah lebih kurang 1,500 jam. Pada 120 darjah , dengan tegasan mutlak yang sama (bukan peratusan hasil), t_onset=1,500 × exp[-90,000/8.314 × (1/393 - 1/373)]=1,500 × exp[-} × 1,500 × exp[-}} (0,=1,500 × exp[-10,825 × (-0.00014)]=1,500 × exp(1.52)=1,500 × 4.57=6,850 jam lebih lama kerana kekuatan hasil turun dengan suhu, jadi peratusan tegasan yang sama lebih tinggi. Keputusan berlawanan intuitif ini bermakna bahawa permulaan rayapan bukan linear ditentukan oleh tegasan mutlak berbanding hasil yang bergantung kepada suhu, bukan dengan suhu sahaja.
Kaedah ramalan praktikal: Ukur atau hitung tegasan tegangan mampan maksimum dalam sarung PFA pada titik sokongan (biasanya gentian luar tiub pada pendakap sokongan). Bahagikan tegasan ini dengan kekuatan alah pada suhu operasi untuk mendapatkan nisbah tegasan R=σ_digunakan / σ_hasil(T). Jika R < 0.2, rayapan bukan-linear tidak akan berlaku dalam masa 10,000 jam. Jika R=0.2–0.3, permulaan berlaku pada 1,000–5,000 jam. Jika R=0.3–0.4, bermula pada 100–1,000 jam. Jika R > 0.4, rayapan dan kegagalan bukan{24}}linear serta-merta dalam masa 100 jam.
Pengesahan dan Mitigasi Lapangan
For an existing heater used as a mechanical support, measure deflection (bow) annually. A deflection increasing at an accelerating rate indicates non-linear creep. For a 1 m long heater, an initial bow of 2–3 mm that grows to 8–10 mm within 12 months signals onset. Replace the heater and redesign the support to reduce load. Mitigation strategies include: adding a separate support rod (metal) to bear the mechanical load while the heater only provides heat; using a larger diameter heater (32 mm vs. 25 mm increases section modulus by 60–80%, reducing stress); installing the heater vertically (axial load, not bending) where PFA has much higher creep resistance (compressive creep threshold >10 MPa pada 100 darjah ); atau menggunakan-pemanas lengan logam (PFA atas teras logam) di mana logam menanggung beban mekanikal. Walau apa pun, menggunakan pemanas PFA sebagai sokongan mekanikal harus menjadi pilihan terakhir. Kelakuan rayapan tidak-linear polimer menjadikannya tidak boleh dipercayai untuk tugas struktur yang berterusan, terutamanya di atas 80 darjah .
Kesimpulan: Kekalkan Tekanan Berkekalan Di Bawah 20% daripada Kekuatan Hasil
Permulaan rayapan tidak-linear dalam pemanas PFA yang digunakan sebagai sokongan mekanikal berlaku apabila tegasan tegangan berkekalan melebihi 20–30% daripada suhu polimer-kekuatan hasil bergantung. Untuk diameter 25 mm biasa, pemanas dinding 2 mm pada 100 darjah , ambang ini ialah 2.5–4.5 MPa, sepadan dengan beban mekanikal 120–200 N (12–20 kg) dalam konfigurasi lenturan mudah. Di bawah ambang ini, pemanas mempamerkan rayapan viskoelastik linear dengan ubah bentuk kekal minimum selama bertahun-tahun perkhidmatan. Di atas ambang ini, rayapan bukan{16}}linear dimulakan dalam masa 100–5,000 jam, yang membawa kepada tundukan progresif, penipisan dinding dan akhirnya pecah sarung. Jurutera yang memerlukan pemanas untuk berfungsi sebagai penyokong struktur hendaklah sama ada: (1) mengekalkan tegasan yang dikenakan di bawah ambang hasil 20% melalui diameter yang lebih besar atau rentang yang lebih pendek; (2) gunakan pemuatan menegak (paksi) daripada membongkok; atau (3) sediakan penyokong logam berasingan yang menanggung beban mekanikal, membenarkan pemanas berfungsi hanya fungsi pemanasan utamanya. Kegagalan medan yang paling biasa daripada rayapan bukan-linear berlaku apabila pemanas digunakan sebagai aplikasi sokongan penyekat atau bar pencampur-di mana beban mekanikal tidak diukur dan selalunya melebihi ambang. Kuantiti beban sebelum mereka bentuk pemasangan. Pengukuran skala mudah bagi berat komponen yang disokong dan pengiraan tegasan lentur mengambil masa 10 minit dan menghalang kegagalan yang boleh menelan belanja ribuan dalam masa henti dan penggantian.
