Який вплив робочої температури на механічну міцність оболонок PTFE?

PTFE є міцним, довговічним матеріалом при кімнатній температурі. Однак його механічні властивості різко змінюються з підвищенням температури. Розуміння цих змін є важливим для належної експлуатації занурювальних нагрівачів з ПТФЕ в рамках їх проектної оболонки. Оболонка PTFE нагрівача не просто забезпечує хімічну стійкість. Він також повинен протистояти тиску навколишньої рідини, протистояти деформації з часом і зберігати свою форму. Усі ці механічні функції погіршуються з підвищенням температури. Таким чином, вплив температури на механічну міцність PTFE є важливою проблемою для тих, хто визначає, встановлює або експлуатує занурювальні нагрівачі PTFE.

Як температура впливає на молекулярну структуру PTFE
PTFE є напівкристалічним полімером. У кристалічних ділянках, які перемежовуються аморфними (невпорядкованими) частинами, молекулярні ланцюги щільно упаковані при кімнатній температурі. Ця структура надає ПТФЕ типову міцність, низьке тертя та хімічну інертність. У міру підвищення температури посилюються молекулярні коливання, і аморфні частини починають розм’якшуватися перед тим, як кристалічні частини розплавляться.

Загальноприйнятою максимальною безперервною температурою використання PTFE в занурювальних нагрівачах є 110ºC. Ця межа не примхлива. При цій температурі швидко відбуваються три окремі механічні перетворення:

Менша міцність на розрив - Значно зменшується кількість зусиль, необхідних для розтягування або розриву оболонки з PTFE.

Підвищена повзучість - Під постійним навантаженням (наприклад, тиск рідини або внутрішня сила від опорного дроту) PTFE з часом повільно згинається.

• Нижчий опір тиску - Оболонка більш схильна до руйнування або роздування під дією перепаду тиску.

Виявлено, що PTFE не плавиться до 327 градусів, хоча його механічна корисність закінчується задовго до цього. Для занурювальних нагрівачів можлива верхня межа безперервної роботи становить 110 градусів.

Зміна міцності на розрив із температурою
Міцність на розтяг — це найвища напруга розтягування (розтягування), яку може витримати матеріал, перш ніж він розірветься. Для PTFE ця характеристика монотонно зменшується з температурою. Таблиця нижче стосується приблизних значень із звичайних процедур тестування (ASTM D638).

Температура (градуси) Температура (градуси F) Приблизна міцність на розрив (МПа) Приблизна міцність на розрив psi % від значення при кімнатній температурі.
23 73 21 – 28 3050 – 4060 100% 50 122 16 – 22 2320 – 3190 75 – 80% 80 176 12 – 16 1740 – 2320 55 – 60% 100 212 9 – 13 1305 – 1885 45 – 50% 110 230 7 – 11 1015 – 1595 35 – 45% 120 248 5 – 8 725 – 1160 25 – 30% 
Примітка: значення є орієнтовними. Фактична міцність на розрив залежить від марки PTFE, кристалічності та умов випробування.

Міцність на розрив PTFE при 100 градусах приблизно вдвічі ніж при 23 градусах. При 110 градусах вона падає приблизно до 40% значення температури навколишнього середовища. Значне зниження механічної напруги через тиск рідини, теплове розширення або транспортування робить пошкодження при високих температурах набагато більш імовірними.

Деформація повзучості та навантаження
Одним з головних недоліків PTFE при високих температурах є його схильність до повзучості. Повзучість — це спотворення речовини з часом під дією постійного навантаження. У той час як метали мають нижчу температуру для повзучості, PTFE буде повзати за будь-якої температури вище навколишнього середовища. Швидкість повзучості експоненціально зростає з температурою.

Для оболонки нагрівача з PTFE застосовні навантаження:

Зовнішній тиск рідини - Гідростатичний тиск у глибоких резервуарах може досягати 0,1 бар на метр глибини. Цей тиск є мінімальним на 2-3 метри, але в поєднанні з підвищеною температурою він може призвести до повільного руйнування оболонки або появи ямок.

Внутрішні напруги від резистивного дроту - Металевий нагрівальний елемент вбудовано в PTFE. Диференціальне теплове розширення металу та PTFE викликає внутрішні напруги. При високій температурі PTFE знімає ці напруги шляхом повзучості, яка може змінити форму оболонки.

Сила затиску або кріплення - Будь-які механічні обмеження, застосовані до нагрівача (наприклад, кронштейни, фланці або опори), можуть спричинити локальну концентрацію напруги. Повзання може призвести до витікання PTFE з точок високого тиску та спричинити ослаблення або пошкодження ущільнення.

На практиці повзучість рідко буває катастрофічною в короткостроковій перспективі. Нагрівач при 105 градусах може не показувати явних спотворень протягом місяців або навіть років. Але повзучість з часом може призвести до того, що оболонка стане тоншою в певних місцях, зменшуючи діелектричну міцність і механічний захист. Що ще важливіше, повзучість на контакті між оболонкою з PTFE та ущільненням клеми може забезпечити прохід для вологи або корозійних парів, щоб досягти нагрівача.

Ризики колапсу або роздування та стійкість до тиску
Оболонки нагрівача з PTFE не є резервуарами під тиском. Вони призначені для роботи при внутрішньому та зовнішньому тиску або близькому до атмосферного. Внутрішня камера, в якій знаходиться дріт опору, не знаходиться під тиском, вона заповнена PTFE або повітрям під тиском навколишнього середовища. Два механізми відмови, пов’язані з тиском, такі:

Згортання зовнішнього тиску - Якщо зовнішній тиск рідини набагато вищий за внутрішній тиск, оболонка може згортатися всередину. Це більш імовірно при вищих температурах, оскільки модуль пружності (жорсткість) PTFE зменшується. Під колапсом зазвичай розуміють сплощену або виточену частину оболонки.

Підвищення внутрішнього тиску - Гарячий, розм’якшений PTFE може роздутися назовні, якщо у внутрішній порожнині виникає тиск через виділення газів або розширення захопленого газу. Менш поширене, але можливо, коли волога всередині нагрівача перетворюється на пару.

Обидва типи пошкоджень безпосередньо контролюються впливом температури механічної міцності PTFE. ПТФЕ може витримувати перепад тиску в кілька бар при 23 градусах без остаточної деформації. При 110 градусах той самий перепад тиску може спричинити миттєвий колапс або роздування. Тому нагрівачі PTFE не слід використовувати для застосувань під високим тиском або там, де можливі швидкі зміни тиску.

Наслідки перевищення безперервного обмеження в 110 градусів
Короткі відхилення трохи вище 110 градусів можуть бути прийнятні без швидкої відмови. Але якщо ви повторно перевищите цю межу або протягом тривалого часу, ви можете завдати довготривалої шкоди. Спостережувані наслідки включають:

Потоншення оболонки та локалізовані гарячі точки: повзучість дозволяє PTFE витікати з найгарячіших областей, стоншуючи оболонку. Більш тонкі області мають вищу теплопровідність. Ця позитивна петля зворотного зв'язку призводить до швидшого нагрівання локальних гарячих точок.

Втрата діелектричної міцності - Потоншені частини оболонки зменшують запас електричної ізоляції та збільшують небезпеку поломки.

Постійна деформація - Після того, як PTFE повзе або викривиться, охолодження не поверне його до початкової форми. Немає способу виправити згорнуту або роздуту оболонку.

Помилка ущільнення - Ущільнення в холодній зоні залежить від хорошого прилягання між оболонкою з ПТФЕ та клемою. Повзучість може послабити цю посадку та дозволити рідині або парі проникнути.

Слід зазначити, що обмеження в 110 градусів стосується температури оболонки з PTFE, а не обов’язково температури масової рідини. У правильно побудованому нагрівачі температура оболонки лише трохи вища за температуру рідини через ефективну передачу тепла від резистивного дроту до рідини. Але з високою щільністю ват (потужність на одиницю площі поверхні) або з рівнем рідини нижче нагрітої частини температура оболонки може значно перевищувати температуру рідини, навіть якщо сама рідина нижче 110 градусів.

Висока-температурна робоча щільність у ватах-
Механічна міцність PTFE залежить- від температури, і це впливає на здатність матеріалу протистояти навантаженню, і з цієї причини занурювальні нагрівачі, призначені для роботи при температурі близько 110 градусів, повинні мати нижчу щільність у Ватах, ніж нагрівачі, які використовуються за нижчих температур. Щільність у Ватах — це вихідна потужність на площу нагрівальної поверхні, яка зазвичай виражається у ватах на квадратний дюйм (Вт/дюйм 2 ) або ватах на квадратний сантиметр (Вт/см 2 ).

Загальні вказівки щодо занурювальних нагрівачів PTFE:

Прийнятна щільність ват до 25-30 Вт/дюйм2 (3,9-4,7 Вт/см2) за температури до 60 градусів (140 градусів F).

60–90 градусів (140–194 градусів F) – низька щільність ват 15–20 Вт/дюйм 2 (2,3–3,1 Вт/см 2 ).

90–110 градусів (194–230 градусів F) – потрібне подальше зниження густини ват до 10–15 Вт/дюйм² (1,6–2,3 Вт/см²).

Вище 110 градусів (230 градусів F) - PTFE занурювальні нагрівачі часто не рекомендуються для тривалого використання.

На практиці ці значення повинні бути налаштовані для конкретного застосування. У ваннах із перемішуванням із високим коефіцієнтом теплопередачі допускається більша щільність ват. Для застійних або в’язких рідин потрібна менша щільність. Мета полягає в тому, щоб гарантувати, що температура оболонки з ПТФЕ ніде не перевищуватиме 110 градусів, навіть у найгарячіших місцях поблизу дроту внутрішнього опору.

Контроль температури як захист
Для дотримання межі 110 градусів необхідні точне вимірювання температури та надійний контроль. Занурювальні нагрівачі повинні мати датчик температури (термопару або RTD) якомога ближче до нагрівального елемента або всередині оболонки з PTFE. Додайте -запобіжний запобіжний запобіжник як резерв до максимально допустимого обмеження температури на контролері.

Було виявлено, що більшість передчасних виходів з ладу нагрівача PTFE викликані не надто високою заданою температурою, а локальним перегрівом. Фактори, що призводять до локального перегріву:

Низький рівень рідини, через який частина нагрітої оболонки потрапляє на повітря.

Забруднення на поверхні оболонки, що призводить до зниження тепловіддачі.

Поганий потік повітря навколо нагрівача, що призводить до застійних ділянок.

Висока щільність ват, що призводить до високого градієнта температури між внутрішнім дротом і поверхнею оболонки.

Будь-яка з цих умов може підвищити температуру оболонки до шкідливого рівня, навіть якщо температура масової рідини нижче 110 градусів.

Висновки
Робоча температура безпосередньо впливає на механічну цілісність PTFE оболонки. Вплив температури на механічну міцність ПТФЕ призводить до втрати міцності на розрив, збільшення схильності до повзучості та зниження опору тиску матеріалу при температурах вище навколишнього середовища. При безперервній межі експлуатації 110 градусів PTFE зберігає лише близько 40% своєї міцності на розрив при кімнатній температурі, а швидкість повзучості стає досить значною, щоб викликати тривалу деформацію.

Межа 110C — це не довільна цифра, а механічна межа. Перевищення цього ліміту може спричинити згортання оболонки, роздування, витончення, порушення ущільнення та остаточну електричну поломку. Таким чином, контроль температури та правильна щільність ват мають вирішальне значення для підтримки терміну служби обігрівача. При експлуатації в температурному середовищі, для якого вона була розроблена, і з прийнятними умовами теплопередачі оболонка з ПТФЕ збереже свою механічну міцність і захистить внутрішній нагрівальний елемент протягом багатьох років надійної роботи.