سوال خزش دمای بالا-
یک فرآیند شیمیایی نیاز به گرمایش مداوم در 180 درجه با بخار اشباع 6 بارگ دارد. هر دو لوله PTFE و PFA (perfluoroalkoxy) برای سرویس مداوم 260 درجه رتبه بندی شده اند. هر دو کاملاً فلورینه و از نظر شیمیایی بی اثر هستند. طراح مبدل حرارتی باید بر اساس عملکرد مکانیکی در دما{6}}به ویژه عمر گسیختگی خزشی تحت فشار داخلی، بین آنها انتخاب کند.
در 180 درجه، نرخ خزش PTFE و PFA از هم جدا می شود. این تفاوت در معماری مولکولی آنها سرچشمه می گیرد. PTFE یک پلیمر خطی با وزن مولکولی فوقالعاده-با ساختار زنجیرهای سفت و میلهای- است. PFA حاوی کومونومر پرفلوئوروپروپیل وینیل اتر است که شاخه های جانبی کوتاهی را معرفی می کند که بلورینگی را مختل می کند و پاسخ خزش را تغییر می دهد.
سوال کمی است: برای ابعاد لوله یکسان و فشار بخار داخلی، هر ماده چند ساعت کار قبل از گسیختگی خزش یا تغییر شکل غیرقابل قبول را فراهم می کند؟ پاسخ فواصل نگهداری و هزینه چرخه عمر را تعیین می کند.
مبنای مولکولی برای تفاوت خزش
خزش در فلوروپلیمرها با لغزش زنجیره مولکولی رخ می دهد. تحت تنش پایدار، زنجیره های پلیمری به آرامی از هم جدا می شوند و از کنار یکدیگر می لغزند. نرخ به طول زنجیر (وزن مولکولی)، سفتی زنجیره، بلورینگی و وجود شاخه های جانبی که به عنوان لنگر عمل می کنند، بستگی دارد.
PTFE دارای وزن مولکولی بسیار بالا-107 تا 108 گرم در مول و کریستالینیت بالایی است (50-70٪ برای PTFE بکر، کمتر برای درجه های اصلاح شده). زنجیره های بلند و سفت، حوزه های کریستالی گسترده ای را تشکیل می دهند که در برابر لغزش زنجیره مقاومت می کنند. مناطق آمورف، در حالی که قادر به تغییر شکل هستند، توسط بلورهای اطراف محدود می شوند.
PFA وزن مولکولی کمتری نسبت به PTFE و بلورینگی کمتری دارد (30{3}}45%). شاخه های جانبی پرفلوئوروپروپیل وینیل اتر، کریستالیزاسیون را مختل می کنند. در حالی که شاخههای جانبی در برابر لغزش زنجیرهای لنگر میدهند-شبیه به عملکرد کومونومر در PTFE اصلاحشده - تبلور کلی کمتر و وزن مولکولی کمتر باعث خزش سریعتر در دمای بالا میشود.
در 180 درجه، سرعت خزش PFA تحت تنش حلقه برابر تقریباً 2-4 برابر PTFE خالص و 1.5-3 برابر PTFE اصلاح شده است. تفاوت کمی به عمر مفید کمتر یا دیواره های لوله ضخیم تر برای PFA برای دستیابی به عمر معادل ترجمه می شود.
| پارامتر خزش | PTFE ویرجین | PTFE اصلاح شده | PFA |
|---|---|---|---|
| وزن مولکولی معمولی (g/mol) | 10⁷-10⁸ | 107-108 (با شاخه های جانبی) | 10⁶-10⁷ |
| بلورینگی (%) | 50-70 | 40-55 | 30-45 |
| سرعت خزش در 180 درجه، تنش حلقه 3 مگاپاسکال (%/1000 ساعت) | 0.08-0.15 | 0.04-0.08 | 0.12-0.30 |
| زمان تا 2% کرنش در 180 درجه، 3 مگاپاسکال (ساعت) | 13,000-25,000 | 25,000-50,000 | 6,500-16,500 |
| عمر تخمینی در 180 درجه، 6 بارگ (سال) | 1.5-3 | 3-6 | 0.8-2 |
| ضخامت دیواره لوله برای عمر معادل 5 سال (میلی متر، 10 میلی متر OD) | 1.5 | 1.2 | 2.0+ |
مفهوم طراحی
خزش سریعتر PFA در 180 درجه مانع استفاده از آن نمیشود{1}}به دیوارههای لوله ضخیمتری نیاز دارد تا تنش حلقه را تا حدی کاهش دهد که سرعت خزش قابل قبول باشد. برای فشار بخار معین و طول عمر مورد نیاز، دیواره لوله PFA باید 30-50٪ ضخیم تر از معادل PTFE اصلاح شده و 15-25٪ ضخیم تر از PTFE بکر باشد.
دیواره ضخیم تر هزینه مواد را افزایش می دهد و انتقال حرارت را اندکی کاهش می دهد. این جریمهها باید با مزایای PFA سنجیده شوند: قابلیت ذوب-که اتصالات جوش داده شده را امکانپذیر میکند، وضوح بالاتر، و مقاومت در برابر خستگی کمی بهتر.
برای کاربردهایی در 180 درجه که مبدل حرارتی به طور دائم نصب می شود و اتصالات مکانیکی قابل قبول است، PTFE اصلاح شده بهترین تعادل بین عمر خزشی، ضخامت دیواره و هزینه را فراهم می کند. PFA در جایی ترجیح داده می شود که اتصالات جوش داده شده برای خدمات-با خلوص{3} فوق العاده بالا مورد نیاز است، و عمر خزش کوتاه تر از طریق طراحی یا تعویض برنامه ریزی شده مدیریت می شود.
خلاصه
لولههای مبدل حرارتی اصلاحشده PTFE به دلیل وزن مولکولی بالاتر، بلورینگی بیشتر و اثر لنگر انداختن شاخههای جانبی در گریدهای اصلاحشده، عمر گسیختگی خزش ۱.۵ تا ۳ برابر بیشتر از لولههای PFA در ۱۸۰ درجه را تحت تنش حلقهای برابر فراهم میکنند. PFA می تواند از طریق افزایش ضخامت دیواره برای کاهش تنش، با جریمه هزینه بالاتر مواد و کاهش اندکی انتقال حرارت، به عمر مفیدی معادل دست یابد. برای اکثر کاربردهای صنعتی در 180 درجه، PTFE اصلاح شده از نظر مکانیکی انتخاب برتر است.
پشتیبانی مهندسی برای انتخاب مواد PTFE در مقابل PFA در دماها و فشارهای عملیاتی خاص، پس از ارائه فشار بخار، طول عمر مورد نیاز، ابعاد لوله و الزامات خلوص در دسترس است.
