PFA シースを取り付けプレートに取り付ける方法によって振動疲労限界は変わりますか?

撹拌機、ポンプ、その他の機器からの機械振動により、取り付け位置の PFA ヒーターに周期的な応力が伝わります。 PFA シースを取り付けプレートに取り付ける方法 (クランプ式圧縮フィッティングと一体成形フランジ) により、振動疲労限界に大きな違いが生じます。クランプ式アタッチメントの場合、PFA は金属フェルールと取り付けプレートの間で押しつぶされます。クランプされた接合部では、振動によりフレッチングやクランプ端部の応力集中が発生し、50万～200万サイクル後に疲労亀裂が発生します。成形アタッチメントでは、PFA が取り付けプレートに直接成形され、機械的接合を使用せずに連続ポリマー構造を形成します。成形アタッチメントは、振動下で疲労破壊するまでに 5 ～ 10 倍長く持続します (500 ～ 2000 万サイクル)。成形フランジは、高振動環境 (撹拌機、移動タンク、ポンプ排出ライン) で非常に好まれます。

振動疲労挙動
PFA シースは、クランプオンアタッチメントの金属圧縮フィッティングに通されます。 PFA はフェルールまたは O- リングによって継手本体に押し付けられてシールを形成し、ヒーターを所定の位置に保持します。振動が発生すると、PFA と金具の間に小さな相対運動 (フレッチング) が発生します。クランプエッジにより3～5倍の応力集中係数が発生します。ヒーターは周期的に曲げられ (振動)、このエッジに張力が集中します。時間の経過とともに、微小亀裂が PFA の外面のクランプ エッジで発生し、シースが裂けるまで円周方向に進行します。極端な状況では、ヒーターが取り付けプレートから分離します。

成形アタッチメントでは、PFA シースは丸みのあるフィレット (通常は半径 3 ～ 5 mm) で取り付けプレートにシームレスに溶け込みます。応力点における金属と PFA の相互作用はありません。連続ポリマーは曲げ力をより広い領域に分散させるため、ピーク応力が 70 ～ 90% 低下します。振動疲労寿命は、クランプでの応力集中ではなく、PFA の固有の疲労強度によって決まります。

振動疲労データ比較アタッチメント タイプの設計特徴応力集中係数 (K t)破壊までの振動サイクル (20 Hz、振幅 0.5 mm)破壊モード: 相対疲労寿命
クランプ式シングルフェルール (圧縮式)クランプ出口の鋭いエッジ 5–8 200,000–500,000 1.0× クランプエッジの円周亀裂
ラジアルフェルール、クランプ式丸いフェルール出口 (半径 1 mm) 3-5 500,000-1,500,000 2-3x エッジの亀裂、遅延
クランプと PFA の間のゴム製ガスケットでクランプされています。柔らかいインターフェースにより、フレッティングが 2 – 3 1,000,000 – 3,000、000 4 –6 倍減少します ガスケットの摩耗、最終的には破損します
フランジ成形、フィレットなしシャープな遷移 (半径 0.5 mm) 3–4 2 000 000–5 000 000 8–15× フランジベースに亀裂
成形フランジ、ラジアス (3 mm) フィレットスムーズな移行 1.5–2 8、000,000–15,000、000 25–50× 内部疲労 (バルク材)
成型フランジ、丸みのあるフィレット + 厚いベース (10mm) 最適化された設計 1.2–1.5 15、000,000–25,000、000 60–100× ヒーターの寿命内に収まる可能性は低い
Overmolded metal insert PFA moulded around metal plate 1.1–1.3 >20,000,000 >100回は見られませんでした。
振動ばく露の測定
加速度計を使用して、特定の設置の取り付け位置における振動振幅を評価します。 20 Hz の振動 (典型的な撹拌周波数) の振幅 A (ピーク - から - までの mm) に比例する周期応力。フランジでの曲げモーメントは M=F * L で、F=m * a (質量 * 加速度)、L はヒーターの長さです。 a=(2\\pi f)^2 x (A/2)。ヒーター質量 1 kg の場合、L=1 m、A=0.5 mm、f=20 Hz: a=(125.6)² × 0.00025=15,800 × 0.00025=3.95 m/s² (0.4 g)。力 F=1 x 3.95=3.95 N モーメント M=3.95 x 1=3.95 Nm フランジでの曲げ応力=M / ZZ=の断面係数。外径 25 mm、壁 2 mm の PFA チューブ Z ~ 2.5e-6 m^3 応力=3.95 / 2.5e-6=1.58 MPa この応力だけでは最小ですが、クランプ エッジでの応力集中 (Kt=5) により、応力は 7.9 MPa に増加し、PFA の疲労限界に近づきます。

Kt=1.5 の成形フランジのピーク応力は 2.4MPa- となり、疲労限界を大幅に下回ります。ヒーターは永久に持続します。

振動の重大度 - 選択方法
振動源 一般的な周波数 Hz 一般的な振幅 mm p-p年間の推定サイクル数推奨される取り付け位置
なし (静的タンク) 0 0 0 クランプまたは成形 (OK) 疲労応力なし
低 (遠心ポンプ) 50 - 100 0.05 - 0.1 5x10^8 - 1x10^9 成型フランジが必要高サイクルによるクランプ疲労
中程度 (撹拌、100 RPM) 1.7 0.2-0.5 1-2x107 成形フランジが必要 クランプは 1 ～ 2 年で故障します
高速 (撹拌機、300 RPM) 5 0.5-1.0 8×107 丸いフィレットを備えた成型フランジクランプは数か月で故障します
非常に高い (振動スクリーン、ミキサー) 15–30 1–2 1–3×10⁸ 金属インサート付きの成型フランジ 避けられない応力ピーク
移動式タンク (輸送) 5-50 2-5 1x10^6-1x10^7 防振 + 成形フランジ #21 の記事を参照
ポンプ吐出口近くのヒーター 50–120 0.1–0.3 1–3×109 フランジ + フレキシブル接続高サイクルに最適な設計
現場での証拠
12 個の撹拌タンク (60 RPM 撹拌機、長さ 1.5 m の PFA ヒーター) を備えた化学施設では、当初、クランプ圧縮フィッティング (シングルフェルール) が採用されていました。平均振動疲労寿命は 8 か月 (約 200 万サイクル) でした。ヒーターの故障はクランプ端部の周方向の亀裂でした。 5年経ってもヒーターの故障はなく、振動クラックも発生していません。