Les supports de chauffage PFA-utilisés pour positionner les chauffages dans les réservoirs ou pour maintenir des équipements auxiliaires-supportent occasionnellement des charges mécaniques soutenues à des températures élevées. À 180 degrés (près de la limite d'utilisation continue du PFA de 200 degrés), la rupture par fluage devient le mode de défaillance dominant pour les supports chargés. Pour un support chargé à 5 MPa (typique pour un appareil de chauffage de 10 kg suspendu à un support de section transversale de 50 mm²-), la durée de vie réaliste en cas de rupture par fluage est de 500 à 2 000 heures, en fonction de la qualité du PFA, de la cristallinité et de la qualité de fabrication. C'est beaucoup plus court que la durée de vie typique d'un appareil de chauffage (10 000 à 30 000 heures). Par conséquent, les supports PFA ne doivent pas être utilisés pour des charges soutenues supérieures à 2 MPa à 180 degrés. Pour les charges supérieures à 2 MPa, utilisez des supports métalliques avec revêtement PFA ou des supports métalliques séparés. Les données de rupture par fluage ci-dessous fournissent des conseils pour une conception sûre.
Mécanismes de rupture de fluage à 180 degrés
À 180 degrés, le PFA est au-dessus de sa transition vitreuse (Tg=-15 degré) mais en dessous de son point de fusion (305 degrés). Le polymère présente un fluage viscoélastique : sous charge constante, il se déforme continuellement. Au cours de la phase de fluage primaire (0 à 100 premières heures), la déformation augmente à un rythme décroissant. En fluage secondaire (100 à 1 000 heures), la vitesse de déformation est constante. Lors du fluage tertiaire (au-delà de 1 000 heures), la déformation s'accélère à mesure que les vides se forment et la section efficace -diminue, conduisant à la rupture. Pour un support PFA chargé à 5 MPa à 180 degrés, le temps typique pour atteindre le fluage tertiaire est de 200 à 500 heures ; la rupture se produit entre 500 et 2 000 heures. La durée de vie à la rupture suit le paramètre de Larson-Miller : LMP=T × (C + log t), où T est la température (K), t est le temps de rupture (heures) et C est une constante du matériau (≈20 pour le PFA). Pour un LMP donné, une température plus élevée réduit la durée de vie de façon exponentielle.
La cristallinité du PFA affecte fortement la résistance au fluage. Le PFA à haute-cristallinité (55 à 65 %) a une durée de vie au fluage 2 à 3 fois plus longue que le PFA à faible-cristallinité (35 à 45 %). Les supports recuits (recuit post-moulage à 200 degrés pendant 4 heures) présentent également une durée de vie plus longue (voir l'article n° 41). La géométrie du support est importante : les angles vifs concentrent les contraintes et réduisent la durée de vie de 50 à 80 % par rapport aux conceptions à rayon.
Durée de vie en cas de rupture par fluage selon la contrainte et la température
| Température (degré) | Contrainte (MPa) | Qualité PFA | Cristallinité (%) | Durée de vie en cas de rupture (heures, typique) | Mode de défaillance |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Standard | 45 | 8,000–15,000 | Déviation excessive (fluage) |
| 180 | 3 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Rupture par fluage |
| 180 | 4 | Standard | 45 | 1,000–2,500 | Rupture avec formation de vide |
| 180 | 5 | Standard | 45 | 500–1,500 | Rupture rapide |
| 180 | 6 | Standard | 45 | 200–500 | Déflexion immédiate, rupture |
| 180 | 5 | Haute-cristallinité (recuit) | 60 | 1,200–2,500 | Durée de vie 2× par rapport à la norme |
| 180 | 5 | Faible-cristallinité (non recuite) | 38 | 300–800 | Durée de vie de 50 % par rapport à la norme |
| 160 | 5 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Une température plus basse prolonge la durée de vie |
| 200 | 3 | Standard | 45 | 500–1,500 | Près de la limite supérieure pour le PFA |
| 150 | 5 | Standard | 45 | 6,000–12,000 | Acceptable pour les charges intermittentes |
Recommandations de conception sûre
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5 000 heures). Calculez la contrainte sous la forme σ=F / A, où F est la charge (N) et A est la section transversale minimale-surface de section du support (mm²). Pour une charge de 50 N (≈5 kg), surface requise A=F/σ=50 / 2=25 mm². Un support avec une section transversale-de 5 mm × 5 mm (25 mm²) est le minimum. Pour une charge de 100 N (10 kg), la surface minimale est de 50 mm² (7 mm × 7 mm). Ce sont des tailles minimales ; des supports plus grands offrent une marge de sécurité.
Pour les charges supérieures à 2 MPa à 180 degrés, utilisez un support métallique (acier inoxydable, titane ou Hastelloy) avec un revêtement ou un manchon PFA pour éviter les attaques chimiques. Le support métallique supporte la charge ; le PFA offre une résistance chimique. Vous pouvez également soutenir le radiateur par le haut (tension) plutôt que par le bas (compression) à l'aide d'une tige métallique passant par le centre du radiateur. Le PFA est plus résistant en compression qu'en traction ; la durée de vie au fluage en compression est 2 à 3 fois plus longue que la durée de vie au fluage en traction pour la même contrainte.
Pour les supports PFA existants fonctionnant sous des contraintes élevées, inspectez chaque année la déformation. Mesurez les dimensions d'origine du support et comparez-les aux dimensions actuelles. Une déformation permanente supérieure à 2 mm ou toute fissure visible justifie un remplacement immédiat. Si le support s'est déformé mais pas fissuré, il peut continuer à fonctionner mais avec une capacité réduite. Pour les applications critiques (le radiateur pourrait tomber dans le réservoir), remplacez les supports déformés quel que soit l'état de fissuration.
Exemple de champ
Une usine chimique a utilisé des supports PFA pour supporter un appareil de chauffage de 15 kg (charge de 150 N) à 180 degrés. La section transversale du support-était de 10 mm × 8 mm (80 mm²), ce qui donnait σ=150/80=1.9 MPa-dans la limite de sécurité. Après 18 mois (≈13 000 heures), le support présentait 3 mm de déflexion mais aucune fissure. Le chauffage était toujours pris en charge. Au bout de 2,5 ans (18 000 heures), la déflexion atteignait 6 mm et le radiateur s'affaissait. Le support a été remplacé lors d'un arrêt programmé. Le support n'était pas tombé en panne mais était proche de la fin de sa durée de vie utile. L'usine a révisé sa conception pour utiliser des supports métalliques pour les installations futures, invoquant la nécessité d'une durée de vie indéfinie.
Conclusion : limiter la contrainte du support PFA à 2 MPa à 180 degrés
La durée de vie réaliste en cas de rupture par fluage d'un support de chauffage PFA chargé à 5 MPa et 180 degrés n'est que de 500 à 2 000 heures-insuffisante pour la plupart des applications industrielles. Pour un service à long-terme (5 heures000+), limitez la contrainte à 2 MPa. Pour les charges supérieures à 2 MPa, utilisez des supports métalliques avec revêtement PFA ou des supports métalliques séparés. Si des supports PFA doivent être utilisés, spécifiez une cristallinité élevée, un PFA recuit, un rayon dans tous les coins et inspectez chaque année la déflexion. Le PFA est un excellent matériau pour la résistance chimique, mais un mauvais matériau pour une charge soutenue-à haute température. Ne demandez pas à PFA de faire ce que le métal devrait faire. En cas de doute, utilisez du métal. Le coût d’un appareil de chauffage tombant dans un réservoir et se heurtant au mur est bien plus élevé que le coût d’un support métallique approprié. Concevez le support pour la charge, et non pour la commodité d'une solution à matériau unique.
