Zakład chemiczny wyciągnął grzałkę zanurzeniową PTFE z kąpieli z 30% kwasem azotowym w temperaturze 85 stopni po pięciu miesiącach pracy. Na powierzchni grzejnika widoczny był wzór drobnych, przecinających się pęknięć-pęknięć-w całej ogrzewanej sekcji. PTFE wydawał się twardy i kruchy, a nie miękki i elastyczny, jak powinien. Rezystancja izolacji spadła z 500 MΩ do 30 MΩ. Kwas azotowy utlenił polimer, powodując kruchość powierzchni i powodując jej pękanie.
Gorący kwas azotowy jest jednym z najbardziej agresywnych kwasów utleniających PTFE. W umiarkowanych temperaturach stopień utleniania jest powolny, a PTFE pozostaje elastyczny. W podwyższonych temperaturach-powyżej 80 stopni -szybkość utleniania przyspiesza, a powierzchnia polimeru zaczyna ulegać degradacji. Łańcuchy polimerowe pękają, a powierzchnia staje się twarda i krucha.
Jak kwas azotowy powoduje kruchość PTFE
Kwas azotowy utlenia PTFE na końcach łańcucha i przy defektach strukturalnych polimeru. Utlenianie tworzy fluorek karbonylu i inne utlenione związki, które zakłócają łańcuch polimeru. Rozerwanie łańcucha zmniejsza masę cząsteczkową polimeru i jego wytrzymałość mechaniczną.
Utleniona warstwa powierzchniowa ma inne właściwości niż polimer w masie. Jest twardszy, bardziej kruchy i mniej elastyczny. Kiedy grzejnik przechodzi cykl termiczny, krucha powierzchnia nie jest w stanie wytrzymać naprężenia. Pęka.
| Stężenie kwasu azotowego | Temperatura | Szybkość utleniania | Czas do utwardzenia powierzchniowego | Czas na pękanie |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 stopni | Bardzo niski | >36 miesięcy | >48 miesięcy |
| 20% | 70 stopni | Niski | 18–30 miesięcy | 24–36 miesięcy |
| 30% | 80 stopni | Umiarkowany | 8–14 miesięcy | 12–20 miesięcy |
| 40% | 85 stopni | Wysoki | 4–8 miesięcy | 6–12 miesięcy |
| 50% | 90 stopni | Bardzo wysoki | 2–4 miesiące | 3–8 miesięcy |
Wpływ stężenia kwasu azotowego i temperatury na kruchość PTFE
Dlaczego pęknięcia tworzą szalony wzór
Wzór spękań-drobne, przecinające się pęknięcia-jest charakterystyczny dla kruchej warstwy powierzchniowej na elastycznym podłożu. Gdy grzejnik się nagrzewa, metalowa osłona rozszerza się, a krucha warstwa powierzchniowa musi się rozciągać, aby skompensować rozszerzanie. Jeśli warstwa powierzchniowa nie może się rozciągnąć, pęka. Pęknięcia powstają w sposób losowy, ponieważ warstwa powierzchniowa jest jednolita, a naprężenia są rozłożone.
Wzór spękań różni się od pęknięć spowodowanych zmęczeniem cieplnym lub uszkodzeniami mechanicznymi. Pęknięcia zmęczenia cieplnego zwykle skupiają się w punktach naprężeń. Zlokalizowane są pęknięcia spowodowane uszkodzeniami mechanicznymi. Pęknięcia Crazing są rozmieszczone na całej dotkniętej powierzchni.
Dlaczego serwis gorącego kwasu azotowego jest szczególnie wymagający
Kwas azotowy jest kwasem utleniającym. Potencjał utleniający wzrasta wraz ze stężeniem i temperaturą. Przy stężeniu 85 stopni i 30% stopień utleniania jest wystarczająco wysoki, aby w ciągu kilku miesięcy spowodować kruchość powierzchni PTFE.
Kwas azotowy przenika również przez PTFE. Szybkość przenikania wzrasta wraz z temperaturą. Kwas docierający do izolacji wewnętrznej zmniejsza rezystancję izolacji. Połączenie kruchości powierzchni i przenikania wewnętrznego powoduje, że grzejnik ulega awarii szybciej niż którykolwiek z tych mechanizmów osobno.
Zapobieganie kruchości powierzchni w gorącym kwasie azotowym
Najskuteczniejszą profilaktyką jest obniżenie temperatury powierzchni. Niższa gęstość watów-0,8–1,0 W/cm² – utrzymuje temperaturę powierzchni w zakresie, w którym stopień utleniania jest niski. Grzejnik o mocy 0,9 W/cm² może działać o 10–15 stopni chłodniej niż grzejnik o mocy 1,4 W/cm², co może podwoić czas utwardzania powierzchni.
Grubsza powłoka PTFE zapewnia więcej materiału do absorpcji utleniania. Utleniona warstwa powierzchniowa jest protektorowa. Grubsza powłoka zawiera więcej polimeru pod warstwą utlenioną, dzięki czemu grzejnik dłużej zachowuje swoje właściwości barierowe.
Praktycznym podejściem jest krótszy okres międzyobsługowy dotyczący kontroli i wymiany. Przy obsłudze gorącego kwasu azotowego nagrzewnicę należy przeglądać co 2-3 miesiące. W przypadku stwierdzenia stwardnienia powierzchni nagrzewnicę należy wymienić zanim pęknięcia wnikną w powłokę.
| Środek zapobiegawczy | Wpływ na kruchość | Realizacja |
|---|---|---|
| Niższa gęstość watów, 0,8–1,0 W/cm² | Wolniejsze utlenianie | Projekt grzejnika |
| Grubsza powłoka, 2,5–3,0 mm | Więcej materiału ofiarnego | Proces powlekania |
| Krótszy okres między przeglądami | Wczesne wykrywanie | Harmonogram konserwacji |
| Obniżona temperatura | Niższy stopień utleniania | Kontrola procesu |
Środki zapobiegawcze w przypadku kruchości powierzchni w gorącym kwasie azotowym
Kiedy kruchość powierzchni wskazuje na problem projektowy
Grzejnik, który kruszy się i pęka pomimo małej gęstości mocy i grubej powłoki, wskazuje, że materiał lub konstrukcja grzejnika nie nadają się do pracy z gorącym kwasem azotowym. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE o bardzo niskiej gęstości watów, grubej powłoce i gatunku polimeru odpornego na temperaturę- eliminuje pierwotną przyczynę kruchości. Proces specyfikacji wymaga stężenia kwasu azotowego, temperatury roboczej i wymaganej mocy. W przypadku obiektów wyposażonych w gorące kąpiele kwasu azotowego to-specjalistyczne podejście zmniejsza kruchość powierzchni i wydłuża żywotność grzejnika.
