โรงงานเคมีแห่งหนึ่งดึงเครื่องทำความร้อนแบบจุ่ม PTFE ออกจากอ่างกรดไนตริก 30% ที่ 85 องศา หลังจากใช้งานมาห้าเดือน พื้นผิวเครื่องทำความร้อนมีรูปแบบของรอยแตกที่ละเอียดและตัดกัน-รูปแบบที่รุนแรง-ทั่วทั้งส่วนที่ได้รับความร้อน PTFE ให้ความรู้สึกแข็งและเปราะ ไม่นุ่มและยืดหยุ่นเท่าที่ควร ความต้านทานของฉนวนลดลงจาก 500 MΩ เป็น 30 MΩ กรดไนตริกได้ออกซิไดซ์โพลีเมอร์ ทำให้พื้นผิวเปราะและทำให้เกิดการแตกร้าว
กรดไนตริกร้อนเป็นหนึ่งในกรดออกซิไดซ์ที่รุนแรงที่สุดสำหรับ PTFE ที่อุณหภูมิปานกลาง อัตราการเกิดออกซิเดชันจะช้าและ PTFE ยังคงมีความยืดหยุ่น ที่อุณหภูมิสูงขึ้น-สูงกว่า 80 องศา -อัตราการออกซิเดชันจะเร่งขึ้น และพื้นผิวโพลีเมอร์ก็เริ่มสลายตัว สายโซ่โพลีเมอร์แตกหัก และพื้นผิวจะแข็งและเปราะ
กรดไนตริกทำให้ PTFE ลุกลามได้อย่างไร
กรดไนตริกจะออกซิไดซ์ PTFE ที่ปลายโซ่และที่ข้อบกพร่องทางโครงสร้างในโพลีเมอร์ การออกซิเดชันจะสร้างคาร์บอนิลฟลูออไรด์และสายพันธุ์ออกซิไดซ์อื่นๆ ที่รบกวนสายโซ่โพลีเมอร์ การแยกโซ่จะช่วยลดน้ำหนักโมเลกุลของโพลีเมอร์และความแข็งแรงเชิงกลของโพลีเมอร์
ชั้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์มีคุณสมบัติแตกต่างจากโพลีเมอร์จำนวนมาก มันยากกว่า เปราะกว่า และยืดหยุ่นน้อยกว่า เมื่อเครื่องทำความร้อนหมุนเวียนความร้อน พื้นผิวที่เปราะไม่สามารถรองรับความเครียดได้ มันแตก
| ความเข้มข้นของกรดไนตริก | อุณหภูมิ | อัตราการเกิดออกซิเดชัน | เวลาในการชุบแข็งพื้นผิว | ถึงเวลาแคร็ก |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 องศา | ต่ำมาก | >36 เดือน | >48 เดือน |
| 20% | 70 องศา | ต่ำ | 18–30 เดือน | 24–36 เดือน |
| 30% | 80 องศา | ปานกลาง | 8–14 เดือน | 12–20 เดือน |
| 40% | 85 องศา | สูง | 4–8 เดือน | 6–12 เดือน |
| 50% | 90 องศา | สูงมาก | 2–4 เดือน | 3–8 เดือน |
ความเข้มข้นของกรดไนตริกและอุณหภูมิที่ส่งผลต่อการเปราะของ PTFE
เหตุใดรอยแตกจึงกลายเป็นรูปแบบที่บ้าคลั่ง
รูปแบบที่บ้าคลั่ง-รอยแตกที่ละเอียดและตัดกัน-เป็นลักษณะของชั้นพื้นผิวที่เปราะบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่น เมื่อเครื่องทำความร้อนร้อนขึ้น ปลอกโลหะจะขยายตัว และชั้นพื้นผิวที่เปราะจะต้องยืดออกเพื่อรองรับการขยายตัว หากชั้นผิวไม่สามารถยืดออกได้ก็จะเกิดการแตกร้าว รอยแตกจะเกิดขึ้นในรูปแบบสุ่มเนื่องจากชั้นผิวมีความสม่ำเสมอและมีการกระจายความเค้น
รูปแบบการแตกร้าวนั้นแตกต่างจากรอยแตกที่เกิดจากความล้าจากความร้อนหรือความเสียหายทางกล รอยแตกเมื่อยล้าจากความร้อนมักกระจุกตัวอยู่ที่จุดที่เกิดความเครียด รอยแตกความเสียหายทางกลได้รับการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น รอยแตกร้าวกระจายไปทั่วพื้นผิวที่ได้รับผลกระทบทั้งหมด
เหตุใดบริการกรดไนตริกร้อนจึงมีความต้องการเป็นพิเศษ
กรดไนตริกเป็นกรดออกซิไดซ์ ศักยภาพในการออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นและอุณหภูมิ ที่ความเข้มข้น 85 องศาและ 30% อัตราการเกิดออกซิเดชันจะสูงพอที่จะทำให้พื้นผิว PTFE เปราะภายในไม่กี่เดือน
กรดไนตริกยังแทรกซึมเข้าไปใน PTFE อีกด้วย อัตราการซึมผ่านจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ กรดที่ไปถึงฉนวนภายในจะช่วยลดความต้านทานของฉนวน การรวมกันของการเปราะของพื้นผิวและการซึมผ่านภายในทำให้เครื่องทำความร้อนทำงานล้มเหลวเร็วกว่ากลไกใดกลไกหนึ่งเพียงอย่างเดียว
การป้องกันการแตกตัวของพื้นผิวในกรดไนตริกร้อน
การป้องกันที่มีประสิทธิภาพสูงสุดคือการลดอุณหภูมิพื้นผิว ความหนาแน่นของวัตต์ที่ต่ำกว่า-0.8–1.0 W/cm²-จะรักษาอุณหภูมิพื้นผิวให้อยู่ในช่วงที่อัตราการออกซิเดชันต่ำ เครื่องทำความร้อนขนาด 0.9 วัตต์/ซม.² อาจทำความเย็นได้ 10–15 องศา มากกว่าเครื่องทำความร้อนที่ 1.4 วัตต์/ซม.² ซึ่งอาจเพิ่มเวลาในการชุบแข็งพื้นผิวเป็นสองเท่า
การเคลือบ PTFE ที่หนาขึ้นทำให้มีวัสดุดูดซับการเกิดออกซิเดชันได้มากขึ้น ชั้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์เป็นการเสียสละ ชั้นเคลือบที่หนากว่าจะมีโพลีเมอร์มากกว่าชั้นใต้ชั้นออกซิไดซ์ ดังนั้นเครื่องทำความร้อนจึงคงคุณสมบัติเป็นเกราะกั้นไว้นานขึ้น
ระยะเวลาการบริการที่สั้นลงสำหรับการตรวจสอบและเปลี่ยนทดแทนถือเป็นแนวทางปฏิบัติ ในการให้บริการกรดไนตริกร้อน ควรตรวจสอบเครื่องทำความร้อนทุกๆ 2-3 เดือน หากตรวจพบการแข็งตัวของพื้นผิว ควรเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนก่อนที่รอยแตกจะทะลุผิวเคลือบ
| มาตรการป้องกัน | ผลต่อการเอ็มบริทเทิล | การนำไปปฏิบัติ |
|---|---|---|
| ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า 0.8–1.0 วัตต์/ซม.² | ออกซิเดชันช้าลง | การออกแบบเครื่องทำความร้อน |
| เคลือบหนาขึ้น 2.5–3.0 มม | วัสดุสังเวยเพิ่มเติม | กระบวนการเคลือบ |
| ระยะเวลาการตรวจสอบสั้นลง | การตรวจพบตั้งแต่เนิ่นๆ | ตารางการบำรุงรักษา |
| อุณหภูมิลดลง | อัตราการเกิดออกซิเดชันที่ต่ำกว่า | การควบคุมกระบวนการ |
มาตรการป้องกันการเปราะของพื้นผิวในกรดไนตริกร้อน
เมื่อพื้นผิวแตกลายบ่งบอกถึงปัญหาการออกแบบ
เครื่องทำความร้อนที่เปราะและแตกร้าวแม้จะมีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำและการเคลือบหนา บ่งชี้ว่าวัสดุเครื่องทำความร้อนหรือการออกแบบไม่เหมาะกับการบริการกรดไนตริกร้อน การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองที่มีความหนาแน่นวัตต์ต่ำมาก การเคลือบหนา และเกรดโพลีเมอร์ที่ทนทานต่ออุณหภูมิ- จะช่วยแก้ไขสาเหตุของการเปราะ กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้ความเข้มข้นของกรดไนตริก อุณหภูมิในการทำงาน และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับโรงงานที่มีอ่างกรดไนตริกร้อน การประยุกต์ใช้-แนวทางเฉพาะนี้จะช่วยลดการเปราะของพื้นผิวและยืดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน
