O método de fixação da bainha PFA à placa de montagem altera o limite de fadiga por vibração?

A vibração mecânica de agitadores, bombas ou outros equipamentos transfere tensão cíclica para o aquecedor PFA no seu local de montagem. A maneira de fixar a bainha de PFA à placa de montagem (acessório de compressão fixado versus flange moldado integralmente) faz uma grande diferença no limite de fadiga por vibração. Para acessórios fixados, o PFA é comprimido entre uma ponteira metálica e a placa de montagem. Na junção fixada, a vibração causa atrito e concentração de tensão na borda da braçadeira, e a trinca por fadiga ocorre após 500.000-2.000.000 de ciclos. Nos acessórios moldados, o PFA é moldado diretamente na placa de montagem, formando uma estrutura polimérica contínua sem o uso de junção mecânica. Os acessórios moldados duram de 5 a 10 vezes mais (5 a 20 milhões de ciclos) antes da falha por fadiga sob vibração. Flanges moldados são altamente preferidos em ambientes de alta vibração (agitadores, tanques móveis, linhas de descarga de bombas).

Comportamento de fadiga vibratória
A bainha de PFA é passada através de um acessório de compressão de metal em uma braçadeira de fixação. O PFA é comprimido contra o corpo da conexão por uma ponteira ou anel O- para formar uma vedação e manter o aquecedor no lugar. Sob vibração, há um pequeno movimento relativo (fricção) entre o PFA e o encaixe de metal. A borda de fixação cria um fator de concentração de tensão de 3 a 5 vezes. O aquecedor é dobrado ciclicamente (vibração), o que concentra a tensão nesta borda. Com o tempo, microfissuras se desenvolvem na borda do grampo na superfície externa do PFA e progridem circunferencialmente até que a bainha se rompa. Em circunstâncias extremas, o aquecedor separa-se da placa de montagem.

Em um acessório moldado, a bainha de PFA combina perfeitamente com a placa de montagem com um filete arredondado (geralmente com raio de 3 a 5 mm). Nenhuma interação do metal com o PFA no ponto de tensão. O polímero contínuo espalha a força de flexão por uma região maior, reduzindo assim o pico de tensão em 70–90%. A vida útil da fadiga por vibração é governada pela resistência à fadiga inerente do PFA, e não pela concentração de tensão em uma braçadeira.

Dados de fadiga por vibração Características comparativas do projeto do tipo de acessório Fator de concentração de estresse (K t)Ciclos de vibração até a falha (20 Hz, amplitude de 0,5 mm)Modo de falha: Vida relativa à fadiga
Anilha única fixada (estilo de compressão) Borda afiada na saída da braçadeira 5–8 200.000–500,000 1.0× Rachadura circunferencial na borda da braçadeira
Anilha radiada, fixadaSaída de anilha arredondada (raio de 1 mm) 3-5 500.000-1.500,000 2-3x Rachadura na borda, retardada
Fixado com junta de borracha entre a braçadeira e o PFA. A interface macia diminui o atrito 2–3 1.000.000–3.000,000 4–6× Desgaste da junta, eventual quebra
Flange moldado, sem fileteTransição nítida (raio de 0,5 mm) 3–4 2 000 000–5 000 000 8–15× Rachadura na base do flange
Flange moldado, filete arredondado (3 mm) Transição suave 1,5–2 8.000.000–15.000,000 25–50× Fadiga interna (material a granel)
Flange moldado, filete arredondado + base espessa (10 mm) Projeto otimizado 1,2–1.5 15.000.000–25.000,000 60–100× Provavelmente improvável durante a vida útil do aquecedor
Overmolded metal insert PFA moulded around metal plate 1.1–1.3 >20,000,000 >100 vezesNão visto.
Medição da exposição à vibração
Use um acelerômetro para avaliar a amplitude de vibração na posição de montagem de uma instalação específica. Uma tensão cíclica proporcional à amplitude A (mm pico-a-pico) para uma vibração de 20 Hz (frequência típica do agitador). O momento fletor no flange é M=F * L com F=m * a (massa * aceleração) e L o comprimento do aquecedor. uma=(2\\pi f)^2 x (A/2). Para uma massa de aquecedor de 1 kg, 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). Força F=1 x 3.95=3.95 N Momento M=3.95 x 1=3.95 Nm Tensão de flexão no módulo da seção do flange=M / ZZ =. Para diâmetro externo de 25 mm, tubo PFA de parede de 2 mm Z ~ 2,5e-6 m^3 Tensão=3.95 / 2,5e-6=1.58 MPa Essa tensão por si só é mínima, mas a concentração de tensão na borda da braçadeira (Kt=5) aumenta para 7,9 MPa - aproximando-se do limite de fadiga do PFA.

Um flange moldado com Kt=1.5 teria um pico de tensão de 2,4MPa-bem abaixo do limite de fadiga. O aquecedor duraria para sempre.

Gravidade da vibração - Como selecionar
Fonte de vibração Frequência típica Hz Amplitude típica mm p-pNúmero estimado de ciclos por anoAnexo recomendado Justificativa
Nenhum (tanque estático) 0 0 0 Fixado ou moldado (OK) Sem tensão de fadiga
Baixa (bomba centrífuga) 50 - 100 0.05 - 0.1 5x10^8 - 1x10^9 Flange moldada necessária Fadiga da braçadeira devido a ciclos altos
Moderado (agitação, 100 RPM) 1.7 0.2-0.5 1-2x107Flange moldado necessário A braçadeira falha em 1 a 2 anos
Alto (agitador, 300 RPM) 5 0.5-1.0 8×107 Flange moldado com filete arredondadoA braçadeira falha em meses
Muito alta (peneira vibratória, misturador) 15–30 1–2 1–3×10⁸ Flange moldada com inserção de metal Picos de tensão inevitáveis
Tanque móvel (transporte) 5-50 2-5 1x10^6-1x10^7Isolamento de vibração + Flange moldado Consulte o artigo nº 21
Aquecedor próximo à descarga da bomba 50–120 0.1–0.3 1–3×109 Flange + conexão flexívelMelhor design para ciclos altos
Evidência de campo
Uma instalação química com 12 tanques agitados (agitadores de 60 RPM, aquecedores PFA de 1,5 m de comprimento) empregou originalmente acessórios de compressão de braçadeira (ponteira única). A vida útil média da fadiga por vibração foi de 8 meses (~2 milhões de ciclos). A falha do aquecedor foi uma rachadura circunferencial na borda da braçadeira. Não houve falhas no aquecedor e não houve rachaduras por vibração após 5 anos.