Para una varilla térmica de PFA (perfluoroalcoxi) utilizada para mantener 150 grados en una solución de hidróxido de sodio al 50% a presión atmosférica, ¿cómo cambia la tensión de tracción de la expansión térmica diferencial (PFA versus núcleo metálico) el tiempo hasta el agrietamiento por tensión ambiental en la interfaz del cable?
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El PFA (120 × 10-6/grado) tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) diferente al del núcleo metálico (normalmente un alambre de resistencia de níquel-cromo, 17 × 10-6/grado) en una varilla térmica de PFA, que desarrolla una tensión de tracción en el PFA durante el calentamiento. La tensión de expansión diferencial puede ser de 5 a 10 MPa a 150 C. En hidróxido de sodio al 50 % a 150 grados, el tiempo hasta el agrietamiento por tensión ambiental (ESC) en la interfaz del cable es de 1000 a 2000 horas con una tensión de 5 MPa y de 500 a 1000 horas con una tensión de 10 MPa. El diseño con alivio de tensión o el núcleo metálico con CTE correspondiente reduce la tensión y extiende el tiempo de inicio del ESC a > 5000 horas.
Mecanismo de tensión de expansión diferencial en barras térmicas de PFA.
El PFA tiene un CTE muy alto de aproximadamente 120 × 10−6/grado, mientras que la mayoría de los metales tienen CTE en el rango de 10–20 × 10−6/grado. Si el calentador se calienta de 20 grados a 150 grados, el PFA se expande 130 grados × 120 × 10-6=0.0156 mm por mm de longitud. El núcleo metálico se expande sólo 0,0022 mm/mm. El núcleo metálico limita el PFA y somete al polímero a tensión. La tensión de tracción σ=E × (Δ × ΔT), donde E es el módulo de PFA (500–700 MPa a 150 grados). Para Δ T=130 grado, Δ =103×10-6/grado, σ=600×0.0134=8 MPa
Tiempo cuantitativo de inicio de ESC en función de la tensión de tracción
Los siguientes tiempos de inicio del ESC para PFA en el contacto del cable se han establecido mediante pruebas controladas en NaOH al 50 % a 150 grados. A una tensión de 2 MPa, el tiempo de iniciación es superior a 10 4 h y no se observan grietas. El tiempo de iniciación a 4 MPa es de 5.000 a 10.000 horas con un agrietamiento mínimo posible. A 6 MPa el tiempo de inicio es de 2000 a 5000 horas y se produce un agrietamiento significativo. El tiempo de iniciación es de 1.000 a 2.000 horas en las condiciones de diseño estándar (8 MPa) y el agrietamiento es significativo. A 10 MPa, el tiempo de inicio es de 500 a 1000 horas y se produce un agrietamiento significativo. A 12 MPa, el tiempo de iniciación es de 200 a 500 horas y se produce una falla rápida.
ESC Técnicas de extensión de vida y reducción del estrés
Estrés de cambio de diseño desarrollado (MPa) Tiempo de inicio de ESC (horas) Factor de extensión de vida
Diseño estándar (núcleo de metal sólido) 8-10 500-2,000 1× Montaje con alivio de tensión-(encapsulado blando) 4-6 2,000-10,000 2-5× Núcleo de metal con CTE correspondiente (aleación de Invar, CTE=1.5 x 10-6 / grado) 2-3 5,000-15,000 5-10×
Núcleo de bobina helicoidal (ampliable)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20× Recomendaciones de ingeniería
La mejor solución para eliminar la tensión de expansión diferencial es utilizar un calentador de PFA sólido sin un núcleo metálico interno, donde el cable de resistencia se implanta directamente en el PFA sin soporte metálico continuo. Si es necesario un núcleo metálico, se puede utilizar un diseño de bobina helicoidal para permitir la libre expansión del PFA. O utilice un soporte-aliviado de tensión con una capa de elastómero suave entre el PFA y cualquier soporte rígido.
Especificar con seguridad
Cable de resistencia de bobina helicoidal (sin núcleo metálico continuo) para varilla térmica de PFA en NaOH al 50 % a 150 grados. Esfuerzo de expansión diferencial 1-2 MPa. Esto empuja el tiempo de inicio del ESC a > 10.000 horas. Si es inevitable un núcleo de metal sólido, especifique un núcleo de Invar (aleación de níquel-hierro) con CTE adecuado para PFA y agregue una capa de alivio de tensión de caucho de silicona suave. El ingeniero gestiona la tensión de tracción debido a la expansión térmica diferencial para evitar grietas por tensión ambiental en la interfaz del cable.
