ภัยคุกคามจากการติดตามฟลูออไรด์
กรดไนตริกที่ความเข้มข้น 30-70% และอุณหภูมิใกล้ถึงจุดเดือด (110-120 องศา ) เป็นสื่อกลางในกระบวนการหลักในการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใหม่ การบดเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยสารเคมี และการสังเคราะห์ทางเคมีชนิดพิเศษ ไทเทเนียมเกรด 7-a โลหะผสมไทเทเนียม-แพลเลเดียมที่มีแพลเลเดียม 0.12-0.25% ได้รับการระบุไว้อย่างกว้างขวางสำหรับบริการนี้ การเติมแพลเลเดียมจะปรับเปลี่ยนโลหะผสมแบบ cathodically โดยขยายความต้านทานการกัดกร่อนไปสู่สภาพแวดล้อมที่ลดลงซึ่งอาจโจมตีไทเทเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์
อย่างไรก็ตาม กรดไนตริกในการใช้งานเหล่านี้ไม่ค่อยมีความบริสุทธิ์ ไอออนของฟลูออไรด์เข้าสู่กรดจากหลายแหล่ง: การละลายของฟลูออไรด์-ที่มีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ การพาไปจากกรดไฮโดรฟลูออริกที่ใช้ในการแกะสลักต้นน้ำ หรือการปนเปื้อนจากน้ำในกระบวนการผลิต ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ที่ต่ำเพียง 5-10 ppm อาจทำให้ฟิล์มพาสซีฟ TiO₂ บนไทเทเนียมไม่เสถียร ที่ความเร็ว 50-100 ppm ฟิล์มจะแตกตัวเฉพาะที่ ที่ 200-500 ppm การกัดกร่อนจะเริ่มขึ้น
PTFE ไม่มีฟิล์มแบบพาสซีฟ ความต้านทานต่อกรดไนตริกและฟลูออไรด์ไอออนเป็น-คุณสมบัติของพันธะโมเลกุลคาร์บอน-โดยสัมบูรณ์ ไม่ใช่สภาพพื้นผิวที่คงไว้ การเปรียบเทียบระหว่างไทเทเนียมเกรด 7 และ PTFE ในสภาพแวดล้อมนี้คือระหว่างวัสดุที่คงอยู่ได้ผ่านสมดุลไฟฟ้าเคมีที่ละเอียดอ่อน กับวัสดุที่ไม่สามารถทำปฏิกิริยาทางอุณหพลศาสตร์กับกรดหรือฟลูออไรด์ได้
กลไกการสลายฟิล์มแบบพาสซีฟ
ไทเทเนียมเกรด 7 ต้านทานกรดไนตริกที่กำลังเดือดผ่านฟิล์มเฉื่อย TiO₂ ที่เสถียร ซึ่งคงไว้โดยพลังออกซิไดซ์ของกรด การเติมแพลเลเดียมจะเปลี่ยนศักยภาพในการกัดกร่อนของโลหะผสมไปเป็นโดเมนแบบพาสซีฟ ทำให้มั่นใจได้ว่าฟิล์มจะยังคงความเสถียรแม้ในความเข้มข้นของกรดที่ต่ำกว่า ซึ่งไทเทเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์อาจกระตุ้นการทำงาน
ไอออนของฟลูออไรด์โจมตีฟิล์ม TiO₂ โดยการสร้างสารเชิงซ้อนของฟลูออไรด์-ไทเทเนียมที่ละลายได้: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O สารเชิงซ้อนจะละลายและเผยให้เห็นโลหะไทเทเนียมเปลือย โลหะที่ถูกเปิดออกสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ (หากความเข้มข้นของฟลูออไรด์ต่ำและมีกรดไนตริกอยู่) หรือละลายต่อไปได้ (หากความเข้มข้นของฟลูออไรด์เกินความสามารถในการเปลี่ยนฟิล์มกลับคืน)
ที่ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ต่ำกว่า 10 ppm ในกรดไนตริก 50% ที่กำลังเดือด อัตราการกลับฟิล์มจะเกินอัตราการละลายฟิล์ม ไทเทเนียมยังคงเป็นแบบพาสซีฟ ระหว่าง 10-50 ppm จะเกิดความสมดุลแบบไดนามิก โดยที่ฟิล์มจะละลายและปรับสภาพใหม่ โดยมีการสูญเสียโลหะสุทธิเล็กน้อย ที่สูงกว่า 50 ppm การละลายของฟิล์มจะแซงหน้าการเกิดซ้ำ การโจมตีเฉพาะที่เริ่มต้นขึ้น โดยเฉพาะที่ข้อบกพร่องที่พื้นผิวและบริเวณรอยเชื่อม สูงกว่า 200 ppm การกัดกร่อนแบบแอคทีฟจะแพร่กระจายไปทั่วพื้นผิว
| พารามิเตอร์การกัดกร่อน | ไทเทเนียมเกรด 7 | ไฟเบอร์ |
|---|---|---|
| กลไกการป้องกันการกัดกร่อน | ฟิล์มพาสซีฟ TiO₂ (บำรุงรักษาโดยออกซิเดชันของ HNO₃ + การดัดแปลงแคโทดิก Pd) | ความเสถียรของพันธะ C-F โดยธรรมชาติ |
| ความเข้มข้นวิกฤตของฟลูออไรด์ในการสลาย (ppm) | 10-50 (film destabilization); >200 (การกัดกร่อนที่ใช้งานอยู่) | ไม่มีขีดจำกัดความเข้มข้น |
| อัตราการกัดกร่อน 50% HNO₃ ที่ 110 องศา , 0 ppm F⁻ (มม./ปี) | <0.01 | 0 |
| อัตราการกัดกร่อน 50% HNO₃ ที่ 110 องศา , 100 ppm F⁻ (มม./ปี) | 0.05-0.20 (เป็นภาษาท้องถิ่น) | 0 |
| อัตราการกัดกร่อน 50% HNO₃ ที่ 110 องศา , 500 ppm F⁻ (มม./ปี) | >1.0 (ใช้งานอยู่ รวดเร็ว) | 0 |
| ความไวต่อการทัศนศึกษาฟลูออไรด์ | สูง (ความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับได้) | ไม่มี |
ความอยู่รอดของการท่องเที่ยว
ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างไทเทเนียมเกรด 7 และ PTFE ในบริการนี้คือการตอบสนองต่อการเปลี่ยนไปใช้ฟลูออไรด์ การเคลื่อนตัวของฟลูออไรด์-จากกระบวนการปั่นป่วน การจ่ายสารเคมีผิดพลาด หรือความล้มเหลวในการกำจัดฟลูออไรด์ที่ต้นทาง-อาจทำให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสัมผัสกับความเข้มข้นของฟลูออไรด์ที่สูงกว่าช่วงการทำงานปกติอย่างมากเป็นระยะเวลาตั้งแต่นาทีถึงชั่วโมง
ไทเทเนียมเกรด 7 ที่เสียหายจากการหลุดร่อนของฟลูออไรด์อาจไม่ฟื้นตัว ฟิล์มเฉื่อยเมื่อถูกทำลายแล้วอาจไม่-ก่อตัวใหม่สม่ำเสมอเมื่อระดับฟลูออไรด์กลับสู่ปกติ หลุมที่เกิดขึ้นระหว่างการเดินทางยังคงแพร่กระจายเมื่อมีความเข้มข้นของฟลูออไรด์ที่ตกค้างอยู่ในสภาพแวดล้อมของหลุม ตัวแลกเปลี่ยนอาจปรากฏภายนอกสมบูรณ์ในขณะที่อุโมงค์การกัดกร่อนผ่านผนัง
PTFE ไม่ได้รับผลกระทบจากการเบี่ยงเบนของฟลูออไรด์ไม่ว่าจะขนาดหรือระยะเวลาใดก็ตาม วัสดุไม่มีความทรงจำเกี่ยวกับการท่องเที่ยว เมื่อระดับฟลูออไรด์กลับสู่ปกติ พื้นผิว PTFE จะเหมือนกับสภาพก่อน-การหลุดร่อน ความอยู่รอดนี้มีคุณค่าในกระบวนการที่การเบี่ยงเบนเกิดขึ้นน้อยครั้งแต่เป็นไปได้ และในกรณีที่ไม่สามารถยอมรับผลที่ตามมาของความล้มเหลวในการกัดกร่อนที่ตรวจไม่พบได้
ส่วนลด-การแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพ-
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไทเทเนียมเกรด 7 มีราคาแพง-ต้นทุนการผลิตคือ 8-12 เท่าของ PTFE ที่เทียบเท่ากันสำหรับหน้าที่ความร้อนเท่ากัน ต้นทุนพรีเมียมซื้อความกะทัดรัด (การนำความร้อนของไทเทเนียม 21 W/m·K เทียบกับ PTFE 0.25 W/m·K) และความสามารถในการรับแรงดันที่สูงขึ้น ในกระบวนการที่รับประกันว่าไม่มีฟลูออไรด์และพื้นที่ถูกจำกัด ไทเทเนียมเกรด 7 คือตัวเลือกที่เหมาะสม
ในกระบวนการที่มีฟลูออไรด์อยู่ที่ความเข้มข้นใดๆ หรือในกรณีที่สามารถเกิดการเบี่ยงเบนของฟลูออไรด์ได้ PTFE เป็นตัวเลือกที่มีความเสี่ยงต่ำกว่า-โดยไม่คำนึงถึงต้นทุน ค่าใช้จ่ายของการเปลี่ยนฟลูออไรด์เพียงครั้งเดียวซึ่งทำลายตัวแลกเปลี่ยนไทเทเนียมมักจะสูงกว่าต้นทุนของทางเลือก PTFE ตัวแลกเปลี่ยน PTFE ยังช่วยลดการตรวจสอบความเข้มข้นของฟลูออไรด์และโครงสร้างพื้นฐานการควบคุมที่ไทเทเนียมต้องการอีกด้วย
สรุป
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE มีความทนทานอย่างไม่มีเงื่อนไขต่อกรดไนตริกเดือดที่มีการปนเปื้อนฟลูออไรด์เล็กน้อย ในขณะที่ไทเทเนียมเกรด 7 อาศัยฟิล์มแบบพาสซีฟที่จะแตกตัวที่ความเข้มข้นของฟลูออไรด์ที่สูงกว่า 10-50 ppm ความสามารถในการอยู่รอดของฟลูออไรด์ของ PTFE นั้นเป็นค่าสัมบูรณ์ ไทเทเนียมสามารถทนทุกข์ทรมานจากการโจมตีแบบท้องถิ่นที่ไม่สามารถย้อนกลับได้จากเหตุการณ์การเดินทางครั้งเดียว PTFE เป็นตัวเลือกที่มีความเสี่ยงต่ำกว่าในการให้บริการกรดไนตริกใดๆ ที่มีฟลูออไรด์อยู่หรือเป็นไปได้ แม้ว่าจะมีพื้นที่ขนาดใหญ่กว่าและมีความสามารถด้านแรงดันต่ำกว่าก็ตาม
การสนับสนุนทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกใช้วัสดุ PTFE กับไทเทเนียมเกรด 7 ในบริการฟลูออไรด์ของกรดไนตริก-นั้นมีให้บริการเมื่อมีการส่งความเข้มข้นของกรด ระดับฟลูออไรด์ปกติและจากการเคลื่อนตัว อุณหภูมิในการทำงาน หน้าที่ความร้อน และข้อจำกัดของพื้นที่
