Заводу по отделке металла, эксплуатирующему линию анодирования хромовой кислотой при температуре 55 градусов, требовалась замена вышедшего из строя погружного нагревателя. У группы технического обслуживания было два варианта: нагреватель с оболочкой из ПТФЭ-и нагреватель с оболочкой из ПВДФ-. Оба были оценены по температуре и химическому составу. Вариант из ПВДФ оказался менее дорогим. Вариант из ПТФЭ имеет более длительный опыт работы в аналогичных установках. Решение сводилось к сравнению, которое часто упрощают: «ПТФЭ лучше» или «ПВДФ дешевле».
ПТФЭ и ПВДФ представляют собой фторполимеры с превосходной химической стойкостью. Оба устойчивы к хромовой кислоте при типичных концентрациях и температурах анодирования. Но они различаются тепловыми свойствами, механической прочностью, стойкостью к проникновению и стоимостью. В сфере обслуживания хромовой кислоты эти различия определяют, какой материал обеспечивает более низкую совокупную стоимость владения.
Химическая стойкость в хромовой кислоте
Хромовая кислота является сильным окислителем. И ПТФЭ, и ПВДФ устойчивы к окислению при тех концентрациях и температурах, которые используются при анодировании-обычно 5–10 % CrO₃ при температуре 40–60 градусов. Ни один из материалов не подвергается воздействию при нормальных условиях эксплуатации.
Разница проявляется при более высоких температурах или концентрациях. ПТФЭ сохраняет свою химическую стойкость до 260 градусов. ПВДФ начинает размягчаться и разлагаться при температуре выше 150 градусов, а его химическая стойкость снижается при температуре выше 120 градусов. При работе с хромовой кислотой при температуре 55 градусов оба материала находятся в безопасных пределах, но ПТФЭ обеспечивает более широкий запас, если температура процесса колеблется или происходит локальный перегрев.
| Материал | Температура непрерывной работы | Максимальная температура хромовой кислоты | Устойчивость к окислению | Сопротивление проникновению |
|---|---|---|---|---|
| ПТФЭ | 260 градусов | 200 градусов + | Отличный | Отличный |
| ПВДФ | 150 градусов | 120 градусов | Хороший | Умеренный |
| ФЭП | 200 градусов | 150 градусов | Очень хороший | Хороший |
| ПФА | 260 градусов | 200 градусов + | Отличный | Отличный |
Химические и термические ограничения для фторполимерных материалов оболочки при работе с хромовой кислотой
Теплопроводность и плотность ватт
ПВДФ имеет теплопроводность примерно 0,20 Вт/м·К, что немного ниже, чем у ПТФЭ (0,25 Вт/м·К). Это означает, что для ПВДФ требуется меньшая плотность мощности при той же температуре оболочки или большая площадь поверхности при той же мощности.
На практике разница скромная. Для нагревателя из ПВДФ может потребоваться на 10–15% больше площади поверхности, чем для нагревателя из ПТФЭ для выполнения тех же задач при той же температуре оболочки. В резервуарах с ограниченным пространством эта разница может иметь значение. В резервуарах с достаточным пространством это не является решающим фактором.
| Материал | Теплопроводность | Безопасная плотность ватт в хромовой кислоте | Площадь поверхности для 5 кВт | Относительный след |
|---|---|---|---|---|
| ПТФЭ | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 3300–4200 см² | Базовый уровень |
| ПВДФ | 0.20 W/m·K | 1,0–1,3 Вт/см² | 3800–5000 см² | на 10–20% больше |
| ФЭП | 0.24 W/m·K | 1,2–1,4 Вт/см² | 3500–4200 см² | Похожий |
| ПФА | 0.26 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 3300–4200 см² | Похожий |
Требования к теплопроводности и площади поверхности фторполимерных оболочек в хромовой кислоте
Механическая прочность и долговечность
ПТФЭ — мягкий полимер. Он склонен к хладотекучести при сжимающей нагрузке, поэтому фланцевые соединения требуют механической блокировки или частой подтяжки. ПВДФ тверже и жестче ПТФЭ. Он лучше противостоит хладотекучеству и сохраняет форму под нагрузкой.
При анодировании хромовой кислотой, когда стойки и заготовки могут контактировать с нагревателем во время загрузки и разгрузки, более высокая твердость ПВДФ обеспечивает лучшую устойчивость к механическим повреждениям. Выемка в ПТФЭ может создать место зародышеобразования для осаждения и путь для химического проникновения. Такое же воздействие на ПВДФ может оставить лишь поверхностный след.
ПВДФ также более устойчив к истиранию, чем ПТФЭ. В резервуарах с взвешенными веществами или при частой очистке ПВДФ дольше сохраняет свою поверхность. Гладкая поверхность препятствует прилипанию накипи и ее легче чистить.
| Механическое свойство | ПТФЭ | ПВДФ | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Твердость (по Шору D) | 50–60 | 70–80 | ПВДФ |
| Предел прочности | 20–30 МПа | 40–55 МПа | ПВДФ |
| Сопротивление хладотекучести | Бедный | Хороший | ПВДФ |
| Устойчивость к истиранию | Умеренный | Хороший | ПВДФ |
| Ударопрочность | Умеренный | Умеренно-хорошо | ПВДФ |
Сравнение механических свойств оболочек нагревателей из ПТФЭ и ПВДФ
Проницаемость и срок службы
Проникновение — это медленная диффузия химических веществ через полимерную оболочку. При работе с хромовой кислотой проникновение позволяет ионам хрома и влаге достигать изоляции MgO, снижая сопротивление изоляции и в конечном итоге вызывая выход из строя.
ПТФЭ имеет лучшую устойчивость к проникновению, чем ПВДФ, особенно при повышенных температурах. Цепи фторуглеродов в ПТФЭ более плотно упакованы и менее подвижны, чем цепи в ПВДФ, которые содержат атомы водорода, которые создают пробелы в структуре полимера. В хромовой кислоте при температуре 55 градусов для достижения того же уровня проникновения оболочке из ПТФЭ может потребоваться в два раза больше времени, чем оболочке из ПВДФ.
Практическим следствием является срок службы. Нагреватель из ПВДФ при эксплуатации с хромовой кислотой может прослужить 2–3 года. Нагреватель из ПТФЭ при одной и той же эксплуатации может прослужить 4–6 лет. Более длительный срок службы ПТФЭ компенсирует более высокую закупочную цену на протяжении всего срока службы установки.
| Материал | Время до сопротивления изоляции<50 MΩ | Ожидаемый срок службы в хромовой кислоте | Относительная скорость проникновения |
|---|---|---|---|
| ПТФЭ | 24–48 месяцев | 4–6 лет | 1× |
| ПВДФ | 12–24 месяца | 2–3 года | 2–3× |
| ФЭП | 18–36 месяцев | 3–4 года | 1.5–2× |
| ПФА | 24–48 месяцев | 4–6 лет | 1× |
Скорость проникновения и срок службы оболочек из фторполимера в хромовой кислоте при температуре 55 градусов.
Сравнение затрат с течением времени
Нагреватели из ПВДФ обычно стоят на 20–30% дешевле, чем нагреватели из ПТФЭ аналогичной мощности и конфигурации. При низких-температурных и мягких-химических применениях, где оба материала служат одинаково долго, ПВДФ является экономичным выбором.
В сфере обслуживания хромовой кислоты более короткий срок службы ПВДФ компенсирует его более низкую закупочную цену. В течение десяти-лет для нагревателя из ПВДФ может потребоваться 3–5 замен, а для нагревателя из ПТФЭ — 2. Трудозатраты и время простоя каждой замены увеличивают разницу в стоимости.
| Материал | Цена покупки | Срок службы | 10-летняя замена | Общая стоимость за 10 лет |
|---|---|---|---|---|
| ПТФЭ | Базовый уровень | 4–6 лет | 2 | 2× цена покупки |
| ПВДФ | 0,7–0,8 × базовый уровень | 2–3 года | 3–5 | 2,1–4,0 × базовый уровень |
| ФЭП | 0,8–0,9 × исходный уровень | 3–4 года | 2–3 | 1,6–2,7× базовый уровень |
| ПФА | 1,1–1,3 × базовый уровень | 4–6 лет | 2 | 2,2–2,6× базовый уровень |
Сравнение затрат на оболочки нагревателей из фторполимера за десятилетний-период эксплуатации хромовой кислоты
Когда ПВДФ — лучший выбор
ПВДФ является лучшим выбором, когда концентрация хромовой кислоты низкая, температура умеренная, а пространство резервуара ограничено, что позволяет использовать более компактный нагреватель. Он также подходит для применений, где механическая прочность важнее устойчивости к проникновению,-например, в резервуарах с частой загрузкой и разгрузкой, где существует риск контакта с нагревателем.
ПВДФ не подходит для работы с высокими-хромовыми кислотами, для ванн, температура которых может превышать 80 градусов, а также для применений, где нагреватель должен прослужить более трех лет без замены.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ является лучшим выбором для большинства применений анодирования хромовой кислотой. Его более высокое сопротивление проникновению, более широкий температурный запас и более длительный срок службы оправдывают более высокую покупную цену. В резервуарах, где замена нагревателя является трудоемкой,-большие резервуары, важные производственные линии или труднодоступные-установки-более длительный срок службы ПТФЭ является существенным преимуществом.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с низкой удельной мощностью, большой площадью поверхности и герметичными клеммными корпусами еще больше продлевает срок службы. Для процесса спецификации требуется указать концентрацию хромовой кислоты, рабочую температуру, размеры резервуара и требуемую мощность. Для предприятий, на которых эксплуатируются линии анодирования хромовой кислотой, этот-специфичный подход обеспечивает надежную работу там, где ПВДФ может не соответствовать требованиям.
