Хімічний завод витягнув занурювальний нагрівач PTFE з ванни з 30% азотною кислотою при 85 градусах після п’яти місяців експлуатації. Поверхня обігрівача показала візерунок дрібних пересічних тріщин-зразок тріщин-по всій нагрітій секції. ПТФЕ був твердим і крихким, а не м’яким і гнучким, як мав би. Опір ізоляції впав з 500 МОм до 30 МОм. Азотна кислота окислила полімер, утворивши крихкість поверхні та спричинивши її розтріскування.
Гаряча азотна кислота є однією з найбільш агресивних кислот-окислювачів для PTFE. При помірних температурах швидкість окислення повільна, і PTFE залишається гнучким. При підвищених температурах-вище 80 градусів -швидкість окислення прискорюється, і поверхня полімеру починає руйнуватися. Полімерні ланцюги розриваються, поверхня стає твердою та крихкою.
Як азотна кислота окрихчує PTFE
Азотна кислота окислює PTFE на кінцях ланцюга та на структурних дефектах полімеру. Окислення створює карбонілфторид та інші окислені речовини, які руйнують полімерний ланцюг. Розрив ланцюга зменшує молекулярну масу полімеру та його механічну міцність.
Окислений поверхневий шар має інші властивості, ніж масовий полімер. Він більш твердий, більш крихкий і менш гнучкий. Коли нагрівач термічно циклічно, крихка поверхня не може вмістити напругу. Він тріскається.
| Концентрація азотної кислоти | Температура | Швидкість окислення | Час до зміцнення поверхні | Час до зламу |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 градусів | Дуже низький | >36 місяців | >48 місяців |
| 20% | 70 градусів | Низький | 18-30 місяців | 24–36 місяців |
| 30% | 80 градусів | Помірний | 8–14 місяців | 12–20 місяців |
| 40% | 85 градусів | Високий | 4–8 місяців | 6–12 місяців |
| 50% | 90 градусів | Дуже високий | 2–4 місяці | 3–8 місяців |
Вплив концентрації азотної кислоти та температури на крихкість PTFE
Чому тріщини утворюють тріщини
Малюнок тріщин-тонкі пересічні тріщини-є характерним для крихкого поверхневого шару на гнучкій підкладці. Коли нагрівач нагрівається, металева оболонка розширюється, і крихкий поверхневий шар повинен розтягнутися, щоб прийняти розширення. Якщо поверхневий шар не може розтягнутися, він тріскається. Тріщини утворюються випадковим чином, оскільки поверхневий шар однорідний і напруга розподілена.
Схема утворення тріщин відрізняється від тріщин, викликаних термічною втомою або механічними пошкодженнями. Тріщини термічної втоми зазвичай зосереджені в місцях напруги. Тріщини механічного пошкодження локалізовані. По всій ураженій поверхні розповсюджені тріщини, що утворюються у вигляді тріщин.
Чому гаряча азотна кислота є особливо вимогливою
Азотна кислота є кислотою-окислювачем. Потенціал окислення зростає з концентрацією та температурою. При 85 градусах і концентрації 30% швидкість окислення достатньо висока, щоб утворити крихкість поверхні PTFE протягом декількох місяців.
Азотна кислота також проникає через PTFE. Швидкість проникнення зростає з температурою. Кислота, яка потрапляє на внутрішню ізоляцію, знижує опір ізоляції. Поєднання поверхневої крихкості та внутрішньої проникності призводить до того, що нагрівач виходить з ладу швидше, ніж будь-який механізм окремо.
Запобігання крихкості поверхні в гарячій азотній кислоті
Найефективнішою профілактикою є зниження температури поверхні. Менша щільність ват-0,8–1,0 Вт/см² утримує температуру поверхні в межах низького рівня окислення. Нагрівач з потужністю 0,9 Вт/см² може працювати на 10–15 градусів холодніше, ніж нагрівач з потужністю 1,4 Вт/см², що може подвоїти час до твердіння поверхні.
Більш товсте покриття з PTFE забезпечує більше матеріалу для поглинання окислення. Окислений поверхневий шар є жертовним. Більш товсте покриття містить більше полімеру під окисленим шаром, тому утеплювач довше зберігає свої бар'єрні властивості.
Коротший інтервал обслуговування для огляду та заміни є практичним підходом. При роботі з гарячою азотною кислотою нагрівач слід перевіряти кожні 2-3 місяці. При виявленні поверхневого затвердіння нагрівач слід замінити до того, як тріщини проникнуть у покриття.
| Захід профілактики | Вплив на крихкість | Реалізація |
|---|---|---|
| Нижча щільність ват, 0,8–1,0 Вт/см² | Повільніше окислення | Конструкція обігрівача |
| Більш товсте покриття 2,5–3,0 мм | Більше жертовного матеріалу | Процес нанесення покриття |
| Скорочений інтервал перевірки | Раннє виявлення | Графік технічного обслуговування |
| Знижена температура | Нижча швидкість окислення | Контроль процесів |
Заходи профілактики окрихчення поверхні в гарячій азотній кислоті
Коли крихкість поверхні вказує на проблему конструкції
Нагрівач, який стає крихким і тріскається, незважаючи на низьку щільність ват і товсте покриття, свідчить про те, що матеріал або конструкція нагрівача не підходять для роботи з гарячою азотною кислотою. Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з PTFE з дуже низькою ватною щільністю, товстим покриттям і термо{1}}стійким полімером усуває першопричину крихкості. Процес специфікації вимагає концентрації азотної кислоти, робочої температури та необхідної потужності. Для установок із ваннами з гарячою азотною кислотою цей-спеціальний підхід зменшує крихкість поверхні та подовжує термін служби нагрівача.
