PFA 히터 지지 브래킷은-탱크에 히터를 배치하거나 보조 장비를 고정하는 데 사용되며-때때로 높은 온도에서 지속적인 기계적 부하를 견뎌냅니다. 180도(PFA의 연속 사용 한계인 200도 근처)에서는 크리프 파열이 로드된 브래킷의 주요 고장 모드가 됩니다. 5MPa(50mm² 단면적 지지대에 매달린 10kg 히터의 경우 일반적) 5MPa의 하중을 받는 브래킷의 경우 실제 크리프 파열 수명은 PFA 등급, 결정화도 및 제조 품질에 따라 500~2,000시간입니다. 이는 일반적인 히터 사용 수명(10,000~30,000시간)보다 훨씬 짧습니다. 따라서 PFA 브래킷은 180도에서 2MPa 이상의 지속 하중에 사용하면 안 됩니다. 2 MPa 이상의 하중에는 PFA 코팅이 된 금속 브래킷이나 별도의 금속 지지대를 사용하십시오. 아래의 크리프 파열 데이터는 안전한 설계를 위한 지침을 제공합니다.
180도에서의 크리프 파열 메커니즘
180도에서 PFA는 유리 전이(Tg{1}}도)보다 높지만 녹는점(305도)보다 낮습니다. 폴리머는 점탄성 크리프를 나타냅니다. 즉, 일정한 하중을 받으면 지속적으로 변형됩니다. 1차 크리프 단계(처음 0~100시간)에서는 변형률이 감소하는 속도로 증가합니다. 2차 크리프(100~1,000시간)에서는 변형률이 일정합니다. 3차 크리프(1,000시간 이상)에서는 공극이 형성되고 유효 단면적이 감소하여 변형이 가속화되어 파열됩니다. 180도에서 5MPa로 하중을 받는 PFA 브래킷의 경우 3차 크리프에 도달하는 데 걸리는 일반적인 시간은 200~500시간입니다. 파열은 500~2,000시간에 발생합니다. 파열 수명은 Larson-Miller 매개변수인 LMP=T × (C + log t)를 따릅니다. 여기서 T는 온도(K), t는 파열 시간(시간), C는 재료 상수(PFA의 경우 20)입니다. 특정 LMP의 경우 온도가 높을수록 수명이 기하급수적으로 감소합니다.
PFA의 결정성은 크리프 저항성에 큰 영향을 미칩니다. 고-결정화도 PFA(55~65%)는 저-결정화도 PFA(35~45%)보다 크리프 수명이 2~3배 더 깁니다. 어닐링된 브래킷(성형 후{10}}200도에서 4시간 동안 어닐링)도 수명이 더 깁니다(문서 #41 참조). 브래킷 형상이 중요합니다. 날카로운 모서리는 응력을 집중시키고 반경 설계에 비해 수명을 50-80% 줄입니다.
응력과 온도에 따른 크리프 파단 수명
| 온도(도) | 응력(MPa) | PFA 등급 | 결정화도(%) | 파열 수명(시간, 일반) | 실패 모드 |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | 기준 | 45 | 8,000–15,000 | 과도한 편향(크리프) |
| 180 | 3 | 기준 | 45 | 3,000–6,000 | 크리프 파열 |
| 180 | 4 | 기준 | 45 | 1,000–2,500 | 공극 형성으로 인한 파열 |
| 180 | 5 | 기준 | 45 | 500–1,500 | 급속 파열 |
| 180 | 6 | 기준 | 45 | 200–500 | 즉각적인 편향, 파열 |
| 180 | 5 | 높은-결정성(어닐링) | 60 | 1,200–2,500 | 2× 수명 대 표준 |
| 180 | 5 | 낮은-결정화도(어닐링되지 않음) | 38 | 300–800 | 50% 수명 대 표준 |
| 160 | 5 | 기준 | 45 | 3,000–6,000 | 낮은 온도로 수명 연장 |
| 200 | 3 | 기준 | 45 | 500–1,500 | PFA의 상한에 가깝습니다. |
| 150 | 5 | 기준 | 45 | 6,000–12,000 | 간헐적인 부하에 적합 |
안전한 설계 권장 사항
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5,000시간). 응력을 σ=F / A로 계산합니다. 여기서 F는 하중(N)이고 A는 브래킷의 최소 단면적(mm²)입니다. 50N 하중(약 5kg)의 경우 면적 A=F/σ=50 / 2=25 mm²가 필요합니다. 단면적-이 5mm × 5mm(25mm²)인 브래킷이 최소입니다. 100N 하중(10kg)의 경우 최소 면적은 50mm²(7mm × 7mm)입니다. 이는 최소 크기입니다. 더 큰 브래킷은 안전 여유를 제공합니다.
180도에서 2 MPa를 초과하는 하중의 경우 화학적 공격을 방지하기 위해 PFA 코팅 또는 슬리브가 있는 금속 브래킷(스테인레스 스틸, 티타늄 또는 하스텔로이)을 사용하십시오. 금속 브래킷은 하중을 전달합니다. PFA는 내화학성을 제공합니다. 또는 히터 중앙을 통해 금속 막대를 사용하여 하단(압축)이 아닌 상단(인장)에서 히터를 지지합니다. PFA는 인장보다 압축이 더 강합니다. 압축 크리프 수명은 동일한 응력에 대한 인장 크리프 수명보다 2~3배 더 깁니다.
높은 응력에서 작동하는 기존 PFA 브래킷의 경우 매년 변형 여부를 검사하십시오. 브래킷의 원래 치수를 측정하고 현재와 비교하십시오. 2mm를 초과하는 영구적인 변형 또는 눈에 띄는 균열이 있는 경우 즉시 교체해야 합니다. 브래킷이 변형되었지만 균열이 발생하지 않은 경우 계속 작동할 수 있지만 용량이 감소할 수 있습니다. 중요한 용도(히터가 탱크에 떨어질 수 있음)의 경우 균열 상태에 관계없이 변형된 브래킷을 교체하십시오.
현장 예시
한 화학 공장에서는 180도에서 15kg 히터(150N 하중)를 지지하기 위해 PFA 브래킷을 사용했습니다. 브래킷 단면적은 10mm × 8mm(80mm²)였으며 σ=150/80=1.9MPa-는 안전 한계 내에서 제공되었습니다. 18개월(약 13,000시간) 후 브래킷은 3mm의 처짐을 보였지만 균열은 발생하지 않았습니다. 히터는 여전히 지원되었습니다. 2.5년(18,000시간)에 처짐이 6mm에 도달했고 히터가 처졌습니다. 예정된 종료 중에 브래킷이 교체되었습니다. 브래킷은 고장난 것이 아니었지만 수명이 거의 다 되었습니다. 공장은 무기한 수명이 필요하다는 점을 언급하면서 향후 설치를 위해 금속 브래킷을 사용하도록 설계를 수정했습니다.
결론: 180도에서 PFA 브래킷 응력을 2MPa로 제한
5 MPa 및 180도에서 부하가 걸리는 PFA 히터 지지 브래킷의 현실적인 크리프 파열 수명은 대부분의 산업 응용 분야에서 500~2,000시간-불충분합니다. 장기-사용(5,000+시간)의 경우 응력을 2 MPa로 제한하십시오. 2 MPa 이상의 하중에는 PFA 코팅이 된 금속 브래킷이나 별도의 금속 지지대를 사용하십시오. PFA 브래킷을 사용해야 하는 경우 높은-결정화도, 어닐링된 PFA를 지정하고 모든 모서리에 반경을 적용하고 편향 여부를 매년 검사합니다. PFA는 내화학성이 뛰어난 재료이지만 고온에서 지속적인 하중-을 견디는 데는 열악한 재료입니다. 금속이 해야 할 일을 PFA에게 요구하지 마십시오. 의심스러운 경우 금속을 사용하십시오. 히터가 탱크 안으로 떨어지고 벽에 단락되는 비용은 적절한 금속 지지 브래킷 비용보다 훨씬 더 높습니다. 단일 재료 솔루션의 편의성이 아닌 하중에 맞게 브래킷을 설계하세요.{21}}
