На химическом заводе после пяти месяцев эксплуатации погружной нагреватель из ПТФЭ извлекли из ванны с 30% азотной кислотой при температуре 85 градусов. На поверхности нагревателя наблюдался узор из мелких пересекающихся трещин-растрескиваний-по всей нагретой секции. ПТФЭ казался твердым и хрупким, а не мягким и гибким, как следовало бы. Сопротивление изоляции упало с 500 МОм до 30 МОм. Азотная кислота окислила полимер, сделав поверхность хрупкой и заставив ее растрескаться.
Горячая азотная кислота является одной из самых агрессивных кислот-окислителей ПТФЭ. При умеренных температурах скорость окисления низкая, и ПТФЭ остается гибким. При повышенных температурах-свыше 80 градусов -скорость окисления увеличивается, и поверхность полимера начинает разрушаться. Полимерные цепи разрываются, поверхность становится твердой и хрупкой.
Как азотная кислота делает ПТФЭ хрупким
Азотная кислота окисляет ПТФЭ на концах цепи и в структурных дефектах полимера. В результате окисления образуются карбонилфторид и другие окисленные соединения, которые разрушают полимерную цепь. Разрыв цепи снижает молекулярную массу полимера и его механическую прочность.
Окисленный поверхностный слой имеет свойства, отличные от свойств объемного полимера. Он более твердый, более хрупкий и менее гибкий. Когда нагреватель подвергается термическому циклу, хрупкая поверхность не может выдержать нагрузку. Оно трескается.
| Концентрация азотной кислоты | Температура | Скорость окисления | Время до поверхностного затвердевания | Время взлома |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 градусов | Очень низкий | >36 месяцев | >48 месяцев |
| 20% | 70 градусов | Низкий | 18–30 месяцев | 24–36 месяцев |
| 30% | 80 градусов | Умеренный | 8–14 месяцев | 12–20 месяцев |
| 40% | 85 градусов | Высокий | 4–8 месяцев | 6–12 месяцев |
| 50% | 90 градусов | Очень высокий | 2–4 месяца | 3–8 месяцев |
Влияние концентрации азотной кислоты и температуры на охрупчивание ПТФЭ
Почему трещины образуют сумасшедший узор
Растрескивание-мелких пересекающихся трещин-характерно для хрупкого поверхностного слоя на гибкой подложке. Когда нагреватель нагревается, металлическая оболочка расширяется, и хрупкий поверхностный слой должен растягиваться, чтобы компенсировать это расширение. Если поверхностный слой не может растянуться, он трескается. Трещины образуются случайным образом, поскольку поверхностный слой однороден и напряжение распределено.
Картина растрескивания отличается от трещин, вызванных термической усталостью или механическим повреждением. Трещины термической усталости обычно концентрируются в точках напряжения. Трещины от механических повреждений носят локальный характер. Трещины с трещинами распространяются по всей пораженной поверхности.
Почему обслуживание горячей азотной кислоты особенно требовательно
Азотная кислота является окислителем. Окислительный потенциал увеличивается с увеличением концентрации и температуры. При температуре 85 градусов и концентрации 30% скорость окисления достаточно высока, чтобы сделать поверхность ПТФЭ хрупкой в течение нескольких месяцев.
Азотная кислота также проникает в ПТФЭ. Скорость проникновения увеличивается с температурой. Кислота, попадающая на внутреннюю изоляцию, снижает сопротивление изоляции. Сочетание охрупчивания поверхности и внутренней проницаемости приводит к тому, что нагреватель выходит из строя быстрее, чем любой из механизмов по отдельности.
Предотвращение охрупчивания поверхности в горячей азотной кислоте
Самая эффективная профилактика – снижение температуры поверхности. Более низкая плотность ватт-0,8–1,0 Вт/см² удерживает температуру поверхности в диапазоне низкой скорости окисления. Нагреватель с мощностью 0,9 Вт/см² может работать на 10–15 градусов холоднее, чем нагреватель с мощностью 1,4 Вт/см², что может удвоить время затвердевания поверхности.
Более толстое покрытие из ПТФЭ обеспечивает больше материала для поглощения окисления. Окисленный поверхностный слой является жертвенным. Более толстое покрытие имеет больше полимера под оксидированным слоем, поэтому утеплитель дольше сохраняет свои барьерные свойства.
Практичным подходом является сокращение интервала технического обслуживания для проверки и замены. При работе с горячей азотной кислотой нагреватель следует проверять каждые 2–3 месяца. При обнаружении поверхностного затвердевания нагреватель следует заменить до того, как трещины проникнут в покрытие.
| Меры профилактики | Влияние на охрупчивание | Выполнение |
|---|---|---|
| Меньшая плотность ватт, 0,8–1,0 Вт/см². | Медленное окисление | Конструкция обогревателя |
| Более толстое покрытие, 2,5–3,0 мм. | Больше жертвенного материала | Процесс нанесения покрытия |
| Сокращение интервала проверки | Раннее обнаружение | График технического обслуживания |
| Пониженная температура | Более низкая скорость окисления | Управление процессом |
Меры профилактики охрупчивания поверхности в горячей азотной кислоте
Когда охрупчивание поверхности указывает на проблему проектирования
Нагреватель, который охрупчивается и трескается, несмотря на низкую удельную мощность и толстое покрытие, указывает на то, что материал или конструкция нагревателя не подходят для работы с горячей азотной кислотой. Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с очень низкой удельной мощностью, толстым покрытием и термостойким-сортом полимера устраняет основную причину охрупчивания. Для процесса спецификации требуется указать концентрацию азотной кислоты, рабочую температуру и требуемую мощность. Для предприятий с горячими ваннами с азотной кислотой этот-специфичный подход снижает охрупчивание поверхности и продлевает срок службы нагревателя.
