Вопрос о ползучести при высоких-температурах
Химический процесс требует непрерывного нагрева до 180 градусов насыщенным паром под давлением 6 бар. Трубки из ПТФЭ и ПФА (перфторалкокси) рассчитаны на непрерывную работу при температуре 260 градусов. Оба полностью фторированы и химически инертны. Разработчик теплообменника должен выбирать между ними на основе механических характеристик при температуре-, в частности, долговечности при ползучести под внутренним давлением.
При 180 градусах скорости ползучести ПТФЭ и ПФА расходятся. Разница заключается в их молекулярной архитектуре. ПТФЭ — это линейный полимер со сверх-высокой молекулярной массой, имеющий жесткую стержнеобразную-цепочечную конформацию. PFA включает в себя сомономер перфторпропилвинилового эфира, который образует короткие боковые ответвления, которые нарушают кристалличность и изменяют реакцию ползучести.
Вопрос количественный: при одинаковых размерах труб и внутреннем давлении пара сколько часов работы отработает каждый материал до разрушения при ползучести или недопустимой деформации? Ответ определяет интервалы технического обслуживания и стоимость жизненного цикла.
Молекулярная основа различия в ползучести
Ползучесть фторполимеров происходит за счет скольжения молекулярных цепей. Под постоянным напряжением полимерные цепи медленно распутываются и скользят друг мимо друга. Скорость зависит от длины цепи (молекулярной массы), жесткости цепи, кристалличности и наличия боковых ответвлений, действующих как якоря.
ПТФЭ имеет чрезвычайно высокую молекулярную массу- от 10⁷ до 10⁸ г/моль и высокую кристалличность (50–70 % для первичного ПТФЭ, ниже для модифицированных марок). Длинные жесткие цепи образуют обширные кристаллические домены, препятствующие скольжению цепи. Аморфные области, хотя и способны к деформации, ограничены окружающими кристаллитами.
ПФА имеет меньшую молекулярную массу, чем ПТФЭ, и меньшую кристалличность (30-45%). Боковые ветви перфторпропилвинилового эфира нарушают кристаллизацию. Хотя боковые ответвления обеспечивают некоторую фиксацию против скольжения цепи-аналогично функции сомономера в модифицированном ПТФЭ, общая более низкая кристалличность и более низкая молекулярная масса приводят к более быстрой ползучести при повышенной температуре.
При 180 градусах скорость ползучести ПФА при равном окружном напряжении примерно в 2–4 раза выше, чем у исходного ПТФЭ, и в 1,5–3 раза больше, чем у модифицированного ПТФЭ. Количественная разница приводит к более короткому сроку службы или более толстым стенкам трубок PFA для достижения эквивалентного срока службы.
| Параметр ползучести | Девственный ПТФЭ | Модифицированный ПТФЭ | ПФА |
|---|---|---|---|
| Типичная молекулярная масса (г/моль) | 10⁷-10⁸ | 10⁷-10⁸ (с боковыми ответвлениями) | 10⁶-10⁷ |
| Кристалличность (%) | 50-70 | 40-55 | 30-45 |
| Скорость ползучести при 180 градусах, окружном напряжении 3 МПа (%/1000 час) | 0.08-0.15 | 0.04-0.08 | 0.12-0.30 |
| Время до 2% деформации при 180 градусах, 3 МПа (часы) | 13,000-25,000 | 25,000-50,000 | 6,500-16,500 |
| Расчетный срок службы при 180 градусах, 6 бар (лет) | 1.5-3 | 3-6 | 0.8-2 |
| Толщина стенки трубки для эквивалентного 5-летнего срока службы (мм, внешний диаметр 10 мм) | 1.5 | 1.2 | 2.0+ |
Значение дизайна
Более быстрая ползучесть PFA при 180 градусах не исключает его использования-требуются более толстые стенки труб, чтобы снизить кольцевое напряжение до уровня, при котором скорость ползучести является приемлемой. Для данного давления пара и требуемого срока службы стенка трубы из PFA должна быть на 30–50 % толще, чем эквивалент модифицированного ПТФЭ, и на 15–25 % толще, чем исходный ПТФЭ.
Более толстая стенка увеличивает стоимость материала и немного снижает теплопередачу. Эти недостатки следует сопоставить с преимуществами PFA: обрабатываемостью-плавлением, позволяющей сваривать соединения, более высокой прозрачностью и немного лучшим сопротивлением усталости при изгибе.
Для применений при температуре 180 градусов, где теплообменник установлен стационарно и механические соединения приемлемы, модифицированный ПТФЭ обеспечивает наилучший баланс срока службы ползучести, толщины стенки и стоимости. PFA предпочтителен там, где для обеспечения сверх-высокой-чистоты требуются сварные соединения, а более короткий срок ползучести регулируется путем проектирования или плановой замены.
Краткое содержание
Трубы теплообменника из модифицированного ПТФЭ обеспечивают в 1,5-3 раза больший срок службы при ползучести, чем трубы из ПФА при 180 градусах при равном кольцевом напряжении, благодаря более высокой молекулярной массе, более высокой кристалличности и эффекту закрепления боковых ответвлений в модифицированных марках. PFA может обеспечить эквивалентный срок службы за счет увеличения толщины стенок для снижения напряжения, но за счет более высокой стоимости материала и незначительного снижения теплопередачи. Для большинства промышленных применений при температуре 180 градусов модифицированный ПТФЭ является механически лучшим выбором.
Техническая поддержка при выборе материала ПТФЭ или ПФА при конкретных рабочих температурах и давлениях доступна после предоставления данных о давлении пара, требуемом сроке службы, размерах труб и требованиях к чистоте.
