Следовая высокочастотная угроза
Азотная кислота, используемая при переработке ядерного топлива, химическом фрезеровании и специальной отделке металлов, часто содержит следы плавиковой кислоты. HF может быть преднамеренной добавкой (в качестве катализатора или травителя) или загрязнителем в результате растворения материалов, содержащих фторид-. Концентрации варьируются от нескольких ppm до нескольких сотен ppm. Даже при уровнях ppm HF резко изменяет коррозионную активность азотной кислоты по отношению к металлам.
Ниобий-титановый сплав (Nb-40Ti или аналогичные составы) используется при работе с азотной кислотой благодаря его превосходной коррозионной стойкости. Ниобий образует высокостабильную пассивную пленку Nb₂O₅. Титан улучшает механические свойства. Этот сплав является одним из немногих металлических материалов, которые могут выдерживать горячую азотную кислоту с следами фторида.
ПТФЭ невосприимчив как к азотной кислоте, так и к HF. Сравнение проводится между самым стойким металлическим сплавом для этой цели и полимером, который не подвержен коррозии.
Атака фторида на пассивную пленку ниобия
Пассивная пленка ниобия Nb₂O₅ является одним из наиболее химически стойких оксидов. Он стабилен в азотной кислоте во всем диапазоне концентраций и температур. В присутствии фторид-ионов пленка медленно растворяется за счет образования растворимых ниобий-фторидных комплексов: Nb₂O₅ + 10HF → 2NbF₅ + 5H2O.
Скорость растворения зависит от концентрации фторида, температуры и концентрации азотной кислоты. При следовых уровнях фторида (ниже 50 частей на миллион) и умеренных температурах (ниже 80 градусов) растворение происходит достаточно медленно, чтобы обеспечить долгие годы службы. Пленка постоянно реформируется, пока присутствует азотная кислота, повторно-окисляющая поверхность.
При более высоких концентрациях фторида (более 200 частей на миллион) или повышенных температурах (более 100 градусов) скорость растворения превышает скорость реформации. Пассивная пленка истончается, и локальный пробой может произойти на границах зерен или поверхностных дефектах. Как только пленка локально нарушается, лежащий под ней сплав быстро корродирует в горячей азотной кислоте.
| Параметр коррозии | Сплав Nb-40Ti | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Пассивная пленка | Nb₂O₅ (+ TiO₂) | Нет (присуще) |
| Скорость коррозии в 50% HNO₃, 80 градусов, 0 ppm HF (мм/год) | < 0.01 | 0 |
| Скорость коррозии в 50% HNO₃, 80 градусов, 100 ppm HF | 0.02-0.08 | 0 |
| Скорость коррозии в 50% HNO₃, 80 градусов, 500 ppm HF | 0.10-0.30 | 0 |
| Чувствительность к ВЧ экскурсиям | Высокая (возможна необратимая питтинговая коррозия) | Никто |
| Стоимость материала (относительная) | 15-25× | 1× |
Риск отклонения ВЧ
При переработке ядерного топлива концентрация HF может резко возрастать на определенных этапах процесса,-когда фторидное-содержащее топливо растворяется или когда химический состав процесса отклоняется от спецификации. Ниобий-титановый теплообменник, безопасно работающий при нормальном низком уровне ВЧ, может быть поврежден во время скачка ВЧ. Повреждения могут быть заметны не сразу. Ямы, возникшие во время отклонения, могут продолжать распространяться после того, как ВЧ вернется к нормальному уровню, что в конечном итоге приведет к утечке через-стену через несколько недель или месяцев.
ПТФЭ не чувствителен к концентрации HF. Отклонение любой величины оставляет материал неизменным. Эта живучесть ценна в процессах, где концентрация HF непостоянна или где возможны отклонения, хотя и редкие.
Сравнение стоимости и изготовления
Ниобий-титановый сплав стоит-в 15–25 раз дороже ПТФЭ на единицу теплообменника. Изготовление требует специальной сварки в инертной атмосфере. Теплообменник компактен: теплопроводность сплава примерно 50 Вт/м·К требует гораздо меньшей площади поверхности, чем ПТФЭ.
ПТФЭ теплообменники стоят дешевле, но имеют больший размер. Там, где имеется место и отклонения ВЧ сопряжены с риском, ПТФЭ является выбором с меньшим-риском и меньшими-ценами. Ниобий-титан зарезервирован для применений, где ограничения по пространству не позволяют использовать больший размер ПТФЭ, а HF гарантированно отсутствует.
Краткое содержание
Теплообменники из ПТФЭ безусловно устойчивы к азотной кислоте со следами HF, в то время как ниобий-титановый сплав может подвергаться пассивному растворению пленки и образованию язв, когда концентрация HF превышает 50-200 частей на миллион, в зависимости от температуры. ПТФЭ исключает риск повреждения в результате высокочастотного отклонения и стоит дешевле тугоплавкого сплава. Ниобий-титан подходит в тех случаях, когда пространство сильно ограничено и подтверждено отсутствие HF.
Техническая поддержка при выборе материала ПТФЭ или ниобий-титан доступна после предоставления информации о концентрации кислоты, диапазоне высоких частот, рабочей температуре и пространственных ограничениях.
