Pour une tige chauffante en PFA (perfluoroalcoxy) utilisée pour maintenir 150 degrés dans une solution d'hydroxyde de sodium à 50 % à pression atmosphérique, comment la contrainte de traction due à la dilatation thermique différentielle (PFA par rapport au noyau métallique) modifie-t-elle le temps de fissuration sous contrainte environnementale à l'interface du fil ?
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Le PFA (120 × 10-6 / degré) a un coefficient de dilatation thermique (CTE) différent de celui du noyau métallique (généralement un fil de résistance nickel-chrome, 17 × 10-6 / degré) dans une tige chauffante PFA, qui développe une contrainte de traction dans le PFA pendant le chauffage. La contrainte de dilatation différentielle peut être de 5 à 10 MPa à 150 °C. Dans de l'hydroxyde de sodium à 50 % à 150 degrés, le temps nécessaire à la fissuration sous contrainte environnementale (ESC) à l'interface du fil est de 1 000 à 2 000 heures à une contrainte de 5 MPa et de 500 à 1 000 heures à une contrainte de 10 MPa. La conception à contrainte réduite ou le noyau métallique avec CTE correspondant réduit la contrainte et prolonge le temps d'initiation de l'ESC à > 5 000 heures.
Mécanisme de contrainte de dilatation différentielle dans les thermoplongeurs PFA
Le PFA a un CTE très élevé d'environ 120 × 10−6/degré, alors que la plupart des métaux ont un CTE compris entre 10 et 20 × 10−6/degré. Si le radiateur est chauffé de 20 degrés à 150 degrés, le PFA se dilate de 130 degrés × 120 × 10-6=0.0156 mm par mm de longueur. Le noyau métallique ne s'étend que de 0,0022 mm/mm. Le noyau métallique limite le PFA et met le polymère sous contrainte. La contrainte de traction σ=E × (Δ × ΔT), où E est le module du PFA (500–700 MPa à 150 degrés). Pour Δ T=130 degré, Δ =103×10-6/degré, σ=600×0.0134=8 MPa
Temps quantitatif d'initiation de l'ESC en fonction de la contrainte de traction
Les temps de démarrage ESC suivants pour le PFA au niveau du contact filaire ont été établis par des tests contrôlés dans 50 % de NaOH à 150 degrés. À une contrainte de 2 MPa, le temps d'amorçage est supérieur à 10 4 h et aucune fissuration n'est observée. Le temps d'amorçage à 4 MPa est de 5 000 à 10 000 heures avec un minimum de fissures possibles. À 6 MPa, le temps de démarrage est de 2 000 à 5 000 heures et des fissures importantes se produisent. Le temps d'amorçage est de 1 000 à 2 000 heures dans les conditions de conception standard (8 MPa) et la fissuration est importante. À 10 MPa, le temps de démarrage est de 500 à 1 000 heures et des fissures importantes se produisent. À 12 MPa, le temps d'amorçage est de 200 à 500 heures et une défaillance rapide se produit.
Techniques de prolongation de la vie ESC et de réduction du stress
Changement de conception Contrainte développée (MPa) Temps d'initiation de l'ESC (heures) Facteur de prolongation de la durée de vie
Conception standard (noyau métallique solide) 8-10 500-2,000 1× Montage sans contrainte (enrobage souple) 4-6 2 000-10,000 2-5× Noyau métallique avec CTE correspondant (alliage Invar, CTE=1.5 x 10-6 / degré) 2-3 5 000-15,000 5-10×
Noyau de bobine hélicoïdale (extensible)1–2 10,000–20,000 10–20×
Solid PFA heater (no metal core) 0 >20,000 >20 × recommandations d'ingénierie
La meilleure solution pour éliminer les contraintes de dilatation différentielle consiste à utiliser un élément chauffant PFA solide sans noyau métallique interne, où le fil de résistance est implanté directement dans le PFA sans support métallique continu. Si un noyau métallique est nécessaire, une conception de bobine hélicoïdale peut être utilisée pour permettre la libre expansion du PFA. Ou utilisez un support-décontracté avec une couche d'élastomère souple entre le PFA et tout support rigide.
Spécifier avec assurance
Fil de résistance à bobine hélicoïdale (pas de noyau métallique continu) pour tige chauffante PFA en 50 % NaOH à 150 degrés. Contrainte de dilatation différentielle 1-2 MPa. Cela pousse l'heure de démarrage de l'ESC à > 10 000 heures. Si un noyau métallique solide est inévitable, spécifiez un noyau Invar (alliage nickel-fer) avec un CTE adapté au PFA et ajoutez une couche de soulagement des contraintes en caoutchouc de silicone souple. L'ingénieur gère les contraintes de traction dues à la dilatation thermique différentielle pour éviter les fissures dues aux contraintes environnementales à l'interface des fils.
