Per una barra termica PFA (perfluoroalcossi) utilizzata per mantenere 150 gradi in una soluzione di idrossido di sodio al 50% a pressione atmosferica, in che modo la sollecitazione di trazione derivante dall'espansione termica differenziale (PFA rispetto al nucleo metallico) modifica il tempo di rottura da stress ambientale all'interfaccia del cavo?
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Il PFA (120 × 10-6 / grado ) ha un coefficiente di espansione termica (CTE) diverso rispetto al nucleo metallico (solitamente un filo di resistenza al nichel-cromo, 17 × 10-6 / grado ) in una barra termica PFA, che sviluppa uno stress di trazione nel PFA durante il riscaldamento. Lo stress da espansione differenziale potrebbe essere 5-10 MPa a 150 C. Nell'idrossido di sodio al 50% a 150 gradi il tempo necessario per la rottura da stress ambientale (ESC) all'interfaccia del filo è di 1.000-2.000 ore con uno stress di 5 MPa e 500-1.000 ore con uno stress di 10 MPa. Il design alleggerito dallo stress o l'anima in metallo con CTE corrispondente riducono lo stress e prolungano il tempo di avvio dell'ESC a> 5.000 ore.
Meccanismo di stress di espansione differenziale nelle barre riscaldanti in PFA
Il PFA ha un CTE molto elevato di circa 120 × 10−6/grado mentre la maggior parte dei metalli ha CTE nell'intervallo 10–20 × 10−6/grado. Se il riscaldatore viene riscaldato da 20 gradi a 150 gradi, il PFA si espande di 130 gradi × 120 × 10-6=0.0156 mm per mm di lunghezza. L'anima metallica si espande solo di 0,0022 mm/mm. L'anima metallica limita il PFA e sottopone il polimero a stress. La sollecitazione a trazione σ=E × (Δ × ΔT), dove E è il modulo del PFA (500–700 MPa a 150 gradi). Per Δ T=130 grado , Δ =103×10-6/ grado , σ=600×0.0134=8 MPa
Tempo quantitativo dell'inizio dell'ESC in funzione dello stress di trazione
I seguenti orari di inizio ESC per PFA al contatto del filo sono stati stabiliti attraverso test controllati in NaOH al 50% a 150 gradi. A una sollecitazione di 2 MPa il tempo di innesco è superiore a 10 4 h e non si osserva alcuna fessurazione. Il tempo di innesco a 4 MPa è compreso tra 5.000 e 10.000 ore con una fessurazione minima possibile. A 6 MPa il tempo di inizio è di 2000-5000 ore e si verificano fessurazioni significative. Il tempo di innesco è di 1.000-2.000 ore alle condizioni di progetto standard (8 MPa) e la fessurazione è significativa. A 10 MPa il tempo di inizio è di 500-1000 ore e si verificano fessurazioni significative. A 12 MPa, il tempo di innesco è di 200-500 ore e si verifica un rapido cedimento.
Tecniche di estensione della vita e riduzione dello stress ESC
Sollecitazione di modifica del progetto sviluppata (MPa) Tempo di inizio ESC (ore) Fattore di estensione della vita
Design standard (anima in metallo solido) 8-10 500-2,000 1× Montaggio con distensione-(invasatura morbida) 4-6 2,000-10,000 2-5× Anima in metallo con CTE corrispondente (lega Invar, CTE=1.5 x 10-6 / grado) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Nucleo della bobina elicoidale (espandibile)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× Consigli tecnici
La soluzione migliore per rimuovere lo stress da espansione differenziale è utilizzare un riscaldatore in PFA solido senza nucleo metallico interno, dove il filo di resistenza è impiantato direttamente nel PFA senza supporto metallico continuo. Se è necessario un nucleo metallico, è possibile utilizzare un design a spirale elicoidale per consentire la libera espansione del PFA. Oppure utilizza un supporto-alleviato dalle sollecitazioni con uno strato di elastomero morbido tra il PFA e qualsiasi supporto rigido.
Specificare con certezza
Filo di resistenza a spirale elicoidale (senza nucleo metallico continuo) per barra riscaldante PFA in NaOH al 50% a 150 gradi. Sollecitazione di espansione differenziale 1-2 MPa. Ciò spinge l'ora di inizio dell'ESC a > 10.000 ore. Se è inevitabile un nucleo metallico solido, specificare un nucleo Invar (lega di nichel-ferro) con CTE adatto al PFA e aggiungere uno strato antistress in gomma siliconica morbida. L'ingegnere gestisce lo stress da trazione dovuto alla dilatazione termica differenziale per evitare fessurazioni da stress ambientale all'interfaccia del filo.
