Το ράγισμα που εμφανίζεται χωρίς προειδοποίηση
Ένας εναλλάκτης θερμότητας από ανοξείδωτο χάλυβα σε λειτουργία ατμίζοντος νιτρικού οξέος στις 70 μοίρες αναπτύσσει ρωγμές κατά μήκος των περιοχών που επηρεάζονται από τη θερμότητα-των συγκολλήσεων του. Οι ρωγμές διαδίδονται σε εβδομάδες από τα εσωτερικά σημεία πίεσης προς τα έξω. Δεν υπάρχει ορατή διάβρωση, καμία αραίωση τοίχων και καμία προειδοποίηση από μετρήσεις πάχους. Ο τρόπος αστοχίας είναι η διάβρωση λόγω καταπόνησης-μια συνεργική επίθεση που απαιτεί τάση εφελκυσμού, ένα συγκεκριμένο χημικό περιβάλλον και μια ευαίσθητη μικροδομή υλικού.
Το ατμίζον νιτρικό οξύ, που περιέχει διαλυμένο διοξείδιο του αζώτου, είναι ένα από τα πιο επιθετικά περιβάλλοντα για τη διάβρωση λόγω καταπόνησης του ανοξείδωτου χάλυβα. Το NO2 δρα ως καθοδικός αποπολωτής, μετατοπίζοντας το δυναμικό διάβρωσης σε ένα καθεστώς όπου η διακοκκώδης προσβολή ξεκινά στα όρια κόκκων με εξάντληση του χρωμίου- κοντά σε συγκολλήσεις. Ακόμη και οι ανοξείδωτοι ανοξείδωτοι χάλυβες με ανόπτηση με διάλυμα,-επεξεργασμένοι με θερμότητα-για να αντιστέκονται στη διακοκκώδη διάβρωση, μπορεί να σπάσουν στο ατμίζον νιτρικό εάν υπάρχουν υπολειπόμενες τάσεις συγκόλλησης.
Το PTFE δεν μπορεί να τονίσει-τη διάβρωση. Δεν έχει όρια κόκκων, παθητικό φιλμ, ηλεκτροχημικό δυναμικό και ζώνες που επηρεάζονται από τη μεταλλουργική θερμότητα-. Ο μηχανισμός πυρόλυσης που καταστρέφει τους μεταλλικούς εναλλάκτες στην υπηρεσία νιτρικού οξέος απλά δεν ισχύει για τα φθοροπολυμερή.
Ο μηχανισμός SCC από ανοξείδωτο χάλυβα σε νιτρικό οξύ
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης του ανοξείδωτου χάλυβα σε ατμίζον νιτρικό οξύ προχωρά μέσω διακοκκιακής προσβολής. Τα όρια των κόκκων κοντά στις συγκολλήσεις εξαντλούνται σε χρώμιο επειδή τα καρβίδια του χρωμίου καθιζάνουν κατά τη διάρκεια των κύκλων θερμότητας συγκόλλησης. Η ζώνη που έχει εξαντληθεί το χρώμιο-είναι πιο επιρρεπής στη διάβρωση από τα εσωτερικά με πλούσιο σε κόκκους-χρώμιο.
Στο ατμίζον νιτρικό οξύ, το δυναμικό διάβρωσης αυξάνεται από την περιεκτικότητα σε NO2. Σε αυτό το δυναμικό, τα όρια κόκκων που έχουν εξαντληθεί το χρώμιο-διαλύονται επιλεκτικά. Η διάλυση δημιουργεί μια αιχμηρή εγκοπή. Η εγκοπή συγκεντρώνει την εφαρμοζόμενη εφελκυστική τάση. Η συγκεντρωμένη τάση διαρρηγνύει το υπόλοιπο υλικό γεφύρωσης στο όριο των κόκκων. Η ρωγμή προχωρά κατά μία διάμετρο κόκκου. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται στο νέο άκρο ρωγμής.
Ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής εξαρτάται από τη συγκέντρωση οξέος, τη θερμοκρασία, την περιεκτικότητα σε NO2 και το μέγεθος της τάσης εφελκυσμού. Οι υπολειμματικές τάσεις συγκόλλησης από μόνες τους-χωρίς ασκούμενο φορτίο- είναι επαρκείς για την πρόκληση ρωγμών. Η ανόπτηση ανακούφισης από το στρες μειώνει αλλά δεν εξαλείφει την ευαισθησία εάν η μικροδομή είναι ευαισθητοποιημένη.
Πίνακας 1: Ευαισθησία διάβρωσης σε ρωγμές σε ατμίζον νιτρικό οξύ (90% HNO3 + διαλυμένο NO2, 70 μοίρες)
| Υλικό | Ευαισθησία SCC | Μορφολογία ρωγμών | Τοποθεσίες έναρξης | Ασφαλής Λειτουργική Καταπόνηση (% απόδοσης) |
|---|---|---|---|---|
| Ανοξείδωτο ατσάλι 304 (ευαισθητοποιημένο) | Πολύ ψηλά | Διακοκκώδης | Συγκόλληση HAZ, κρύες-επεξεργασμένες περιοχές | <10% (unreliable) |
| Ανοξείδωτο ατσάλι 304L (ανοπτημένο) | Μέτριος | Διακοκκώδης | Συγκόλληση HAZ (εάν ευαισθητοποιηθεί) | <30% |
| Ανοξείδωτο ατσάλι 310L | Χαμηλός | Διακοκκώδης | Μόνο εκτεταμένη έκθεση | <50% |
| Titanium Grade 2 | Κανένα (αλλά πυροφορικός κίνδυνος με κόκκινο ατμισμένο HNO3) | N/A | N/A | Δεν συνιστάται για ατμισμό HNO3 |
| PTFE | Κανένας | N/A | N/A | 100% (δεν υπάρχει μηχανισμός SCC) |
Τιτάνιο: Ένα διαφορετικό πρόβλημα
Το τιτάνιο θεωρείται μερικές φορές για συντήρηση νιτρικού οξέος επειδή αντιστέκεται καλά στη γενική διάβρωση. Ωστόσο, το τιτάνιο σε κόκκινο ατμίζον νιτρικό οξύ που περιέχει διαλυμένο ΝΟ2 μπορεί να υποβληθεί σε πυροφορική αντίδραση. Στην επιφάνεια σχηματίζεται ένα λεπτό στρώμα νιτρικού ή νιτρικού τιτανίου. Αυτό το στρώμα μπορεί να αποσυντεθεί εκρηκτικά εάν υποβληθεί σε κρούση ή τριβή. Αρκετά τεκμηριωμένα βιομηχανικά περιστατικά περιλαμβάνουν συστατικά τιτανίου σε λειτουργία ατμίσματος νιτρικού οξέος που αναφλέγεται αυθόρμητα κατά τη διάρκεια της συντήρησης.
Ο πυροφορικός κίνδυνος εξαλείφει το τιτάνιο ως μια ασφαλή εναλλακτική λύση για τον καπνό εναλλάκτη θερμότητας νιτρικού οξέος. Το PTFE δεν έχει πυροφορικό κίνδυνο. Το πλήρως οξειδωμένο (φθοριωμένο) πολυμερές δεν μπορεί να υποστεί περαιτέρω εξώθερμη αντίδραση με νιτρικό οξύ.
PTFE: Πλήρης αδράνεια στο νιτρικό οξύ
Το PTFE είναι αδρανές στο νιτρικό οξύ σε όλες τις συγκεντρώσεις-από αραιό έως ατμίζον-σε όλες τις θερμοκρασίες έως 260 βαθμούς . Ο δεσμός άνθρακα-φθορίου είναι αδιαπέραστος στην οξείδωση από το νιτρικό οξύ επειδή ο άνθρακας βρίσκεται ήδη στην υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης σε σχέση με το φθόριο. Το μόριο του νιτρικού οξέος συναντά μια επιφάνεια που δεν προσφέρει ηλεκτρόνια για αναγωγή, κανένα άτομο υδρογόνου για αφαίρεση και κανένα ευαίσθητο δεσμό για διάσπαση.
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης είναι ένα ηλεκτροχημικό-μηχανικό φαινόμενο που απαιτεί μεταφορά ηλεκτρονίων στο άκρο της ρωγμής. Το PTFE είναι ένας ηλεκτρικός μονωτήρας με ειδική αντίσταση άνω των 1018 ohm·cm. Δεν μπορεί να συμβεί μεταφορά ηλεκτρονίων. Κανένα ρεύμα διάβρωσης δεν μπορεί να ρέει. Ολόκληρος ο μηχανισμός SCC είναι φυσικά αδύνατος σε αυτό το υλικό.
Η απουσία ορίων κόκκων εξαλείφει τη μικροδομική οδό για τη διάδοση των ρωγμών. Το PTFE είναι άμορφο-κρυσταλλικό, αλλά οι κρυσταλλικές περιοχές είναι ενσωματωμένες σε μια άμορφη μήτρα. Δεν υπάρχει συνεχές δίκτυο ορίων κόκκων για να ακολουθήσει επιλεκτική επίθεση.
Επιπτώσεις σχεδίασης για την υπηρεσία ατμίσματος νιτρικών
Η ανοσία του PTFE στο SCC απλοποιεί τον σχεδιασμό του εναλλάκτη θερμότητας για την υπηρεσία νιτρικού οξέος. Η υπολειπόμενη τάση από την κατασκευή είναι άσχετη επειδή δεν εμφανίζεται SCC. Οι συγκολλήσεις-που απουσιάζουν σε σωλήνες PTFE χωρίς ραφή-δεν απαιτούν θερμική επεξεργασία μετά την-κατασκευή. Τα όρια λειτουργικής καταπόνησης καθορίζονται από λόγους ερπυσμού και κόπωσης, όχι από τα κατώφλια SCC.
Το μόνο κριτήριο σχεδιασμού ειδικά για το ατμίζον νιτρικό οξύ είναι η διείσδυση. Το NO2 μπορεί να διαπεράσει αργά μέσω PTFE σε υψηλές θερμοκρασίες. Για εναλλάκτες θερμότητας όπου το ρευστό υπηρεσίας βρίσκεται στην πλευρά του κελύφους και ένα διαφορετικό υγρό στην πλευρά του σωλήνα, ο ρυθμός διείσδυσης θα πρέπει να αξιολογηθεί για πιθανή διασταυρούμενη-μόλυνση. Για πηνία εμβάπτισης όπου και οι δύο πλευρές βλέπουν το σύστημα νιτρικού οξέος, η διείσδυση είναι άσχετη.
Περίληψη
Οι εναλλάκτες θερμότητας PTFE λειτουργούν με ασφάλεια σε ατμίζον νιτρικό οξύ χωρίς ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης, επειδή το φθοριοπολυμερές δεν έχει όρια κόκκων, δεν έχει ηλεκτροχημική δραστηριότητα και δεν επιδέχεται τον διακοκκώδη μηχανισμό επίθεσης που καταστρέφει τον ανοξείδωτο χάλυβα. Το τιτάνιο, ενώ ανθίσταται στη γενική διάβρωση, παρουσιάζει έναν απαράδεκτο πυροφορικό κίνδυνο. Το PTFE παρέχει το συνδυασμό χημικής αδράνειας και μηχανικής ασφάλειας που απαιτείται για αξιόπιστη μακροχρόνια-υπηρεσία σε αυτό το επιθετικό οξειδωτικό περιβάλλον.
Η μηχανική ανάλυση για τις προδιαγραφές του εναλλάκτη θερμότητας PTFE σε νιτρικό οξύ και άλλες εφαρμογές ισχυρού οξειδωτικού είναι διαθέσιμη με την υποβολή της συγκέντρωσης οξέος, της περιεκτικότητας σε NO2, της θερμοκρασίας λειτουργίας και τυχόν ιστορικού προβλημάτων SCC ή διάβρωσης με τον τρέχοντα εξοπλισμό.
