Пары аммиака высокой-чистоты (NH₃) при температуре 50–100 градусов умеренно агрессивны по отношению к PFA, вызывая растрескивание под воздействием окружающей среды (ESC), когда полимер находится под растягивающим напряжением. Гладкая внешняя поверхность (Ra < 0,2 мкм) противостоит растрескиванию в 3–5 раз лучше, чем текстурированная поверхность (Ra > 0,8 мкм) при одинаковых нагрузках и воздействии аммиака. Механизм заключается в концентрации напряжений: текстурированные поверхности имеют микроскопические выступы и впадины, которые повышают напряжение. При растягивающих напряжениях (от теплового расширения, давления или остаточных напряжений) днища долин испытывают концентрации напряжений с коэффициентами Kt 2–5×. Пары аммиака преимущественно адсорбируются в этих областях -напряжения, снижая поверхностную энергию, необходимую для возникновения трещин. Гладкая поверхность не имеет таких концентраторов напряжений; приложенное напряжение является равномерным и остается ниже критического порога ESC. Для работы с парами аммиака укажите полированную или -гладкую экструдированную поверхность PFA.
Растрескивание под воздействием аммиака-под воздействием окружающей среды
Аммиак не вступает в химическую реакцию с PFA (нет разрыва цепи или окисления при температуре ниже 120 градусов). Вместо этого он действует как средство-расщепления стресса. Молекулы NH₃ малы (кинетический диаметр 0,26 нм) и высокополярны. Они диффундируют в аморфные области PFA, разрушая силы Ван-дер-Ваальса между цепями. При приложенном растягивающем напряжении (даже 2–3 МПа) пластифицированная аммиаком область - локально поддается деформации, образуя крейз. Увлечение перерастает в трещину. Критическое напряжение для ЭСК в аммиаке составляет 3–5 МПа для гладкого ПФА, но всего 1–2 МПа для текстурированного ПФА из-за концентрации напряжений на поверхностных элементах. Нагреватель с остаточным напряжением 4 МПа (в результате охлаждения при экструзии) может выдержать воздействие аммиака, если он гладкий, но растрескается в течение нескольких недель, если он текстурированный.
Шероховатость поверхности создает зазубрины. Для V-образной канавки глубиной d и радиусом основания r коэффициент концентрации напряжений Kt ≈ 1 + 2√(d/r). Типичная текстурированная поверхность (Ra=0.8 мкм, r ≈ 0,5 мкм, d ≈ 2 мкм) дает Kt ≈ 1 + 2√(2/0,5)=1 + 2√4=1 + 4=5.. Номинальное напряжение 4 МПа становится 20 МПа в основании канавки-значительно выше предела текучести PFA. Трещины возникают в течение нескольких часов.
Сопротивление растрескиванию в зависимости от шероховатости поверхности в парах NH₃ (80 градусов, 1 бар)
| Состояние поверхности | Ра (мкм) | Кт (макс) | Время до первой трещины при напряжении 4 МПа (часы) | Критическое напряжение для ЭКУ (МПа) | Режим отказа |
|---|---|---|---|---|---|
| Полированный (зеркальный) | 0.05–0.1 | 1.1–1.2 | >10 000 (без трещин) | 5–6 | Нет (в рамках теста) |
| Как-выдавлено (гладкое) | 0.2–0.3 | 1.3–1.5 | 5,000–8,000 | 4–5 | Прекрасное безумие |
| Как-выдавлено (стандартно) | 0.4–0.6 | 1.8–2.2 | 1,500–3,000 | 3–4 | Множественные мелкие трещины |
| Пескоструйная обработка (тонкая) | 0.8–1.2 | 3–5 | 200–500 | 1.5–2.5 | Одиночная доминирующая трещина |
| Пескоструйная обработка (грубая) | 1.5–2.5 | 5–8 | 50–150 | 1.0–1.5 | Быстрое растрескивание |
| Обработанные (следы инструмента) | 0,5–1,5 (направленный) | 4–10 | 20–100 | 0.5–1.0 | Трещины по следам инструмента |
| Химически травленый | 0.6–1.0 | 2–4 | 300–800 | 2–3 | Умеренное растрескивание |
Почему гладкие поверхности имеют решающее значение для службы аммиака
Помимо концентрации напряжений, гладкие поверхности имеют меньше мест адсорбции аммиака. Молекулы аммиака конденсируются преимущественно в микроскопических щелях (капиллярная конденсация). Конденсированный аммиак имеет более высокую концентрацию и более длительное время контакта, что ускоряет пластификацию. Гладкая поверхность без щелей сводит к минимуму адсорбцию аммиака, сохраняя поверхность полимера относительно сухой.
Гладкие поверхности также позволяют раньше обнаружить любые возникающие трещины. На фактурной поверхности в шероховатости скрыты мелкие трещинки; к тому времени, когда они становятся видимыми, они уже глубокие. На гладкой поверхности при хорошем освещении видна даже трещина 0,1 мм, что позволяет провести профилактическую замену.
Подготовка поверхности к работе с аммиаком
Для нагревателей PFA, предназначенных для работы с парами аммиака, укажите:
Чистота поверхности: Ra Меньше или равно 0,3 мкм, измерено профилометром в соответствии с ISO 4287.
Обработка: Экструдируйте с использованием полированных матриц (зеркальная поверхность). Избегайте шлифовки или струйной обработки после-экструзии.
Инспекция: Визуальный осмотр при 10-кратном увеличении; отсутствие видимых следов инструмента, царапин или ямок.
Проверка: Запросите сертификат шероховатости поверхности для каждой партии продукции.
Если нагреватель имеет заводскую текстурированную поверхность (например, стандартная экструзия с Ra 0,5–1,0 мкм), его можно полировать. Но полировка удаляет 0,05–0,1 мм ПФА, уменьшая толщину стенки. Для стены толщиной 2 мм это приемлемо. Для стенки толщиной 1,5 мм полировка может слишком истончить оболочку. Лучше сразу указать плавность.
Пример поля
Колонна отпарки аммиака работала при температуре 80 градусов с нагревателями PFA от двух поставщиков. Поставщик А использовал стандартные матрицы, производящие Ra 0,6 мкм. Поставщик B использовал полированные матрицы, производящие Ra 0,2 мкм. Оба нагревателя имели одинаковую марку PFA и толщину стенок. Через 18 месяцев нагреватели Поставщика А показали обширные поверхностные трещины, а некоторые даже треснули. Нагреватели поставщика Б не имели видимых трещин. Завод перевел все нагреватели на гладкую отделку Поставщика Б. Взломы сбоев прекратились. Дополнительные затраты на полированные штампы были незначительными.
Вывод: гладкие поверхности противостоят растрескиванию аммиаком в 3–5 раз лучше
При работе с парами аммиака высокой-чистоты нагреватель из PFA с гладкой внешней поверхностью (Ra < 0,3 мкм) противостоит растрескиванию под воздействием окружающей среды в 3–5 раз лучше, чем текстурированная поверхность (Ra > 0,8 мкм). Гладкая поверхность устраняет микроскопические концентраторы напряжений (вырезы, канавки), которые в противном случае увеличили бы приложенное растягивающее напряжение в 3–10 раз, что позволяет трещинам возникать при низком номинальном напряжении. Аммиак адсорбируется преимущественно в трещинах поверхности, еще больше ускоряя растрескивание текстурированных поверхностей. Для любого применения аммиака (безводного или водного, 50–100 градусов) укажите полированный или -экструдированный гладкий PFA с Ra менее или равным 0,3 мкм. Не подвергайте пескоструйной обработке, не подвергайте машинной обработке, не текстурируйте. Гладкая – это сильно. Грубый — это трещина, ожидающая своего часа. В аммиаке, чем мягче, тем лучше. Укажите гладкость, проверьте гладкость, прослужите долго.
