Halkeilu, joka ilmenee ilman varoitusta
Ruostumattomasta teräksestä valmistettu lämmönvaihdin savuavassa typpihapossa 70 asteen kulmassa muodostaa hiushalkeamia hitseidensa lämmön{1}}vaikutusalueille. Halkeamat leviävät viikkojen kuluessa sisäisistä jännityspisteistä ulospäin. Ei näy näkyvää korroosiota, ei seinämän ohenemista eikä varoitusta paksuusmittauksista. Vikatila on jännityskorroosiohalkeilu{5}}synergistinen hyökkäys, joka vaatii vetojännitystä, erityistä kemiallista ympäristöä ja herkkää materiaalin mikrorakennetta.
Savuva typpihappo, joka sisältää liuennutta typpidioksidia, on yksi aggressiivisimmista ympäristöistä ruostumattoman teräksen jännityskorroosiohalkeilulle. NO₂ toimii katodisena depolarisaattorina siirtäen korroosiopotentiaalin tilaan, jossa rakeiden välinen hyökkäys alkaa kromi-tyhjennetyillä raerajoilla lähellä hitsejä. Jopa liuos-hehkutetut ruostumattomat teräkset, jotka on lämpökäsitelty estämään rakeiden välistä korroosiota, voivat halkeilla savuavassa typessä, jos hitsausjännityksiä on jäljellä.
PTFE ei voi rasittaa{0}}korroosiohalkeamia. Siinä ei ole raerajoja, passiivista kalvoa, sähkökemiallista potentiaalia eikä metallurgisen lämmön{2}}vaikutusalueita. Säröilymekanismi, joka tuhoaa metalliset vaihtimet typpihapon käytössä, ei yksinkertaisesti koske fluoripolymeerejä.
Ruostumattoman teräksen SCC-mekanismi typpihapossa
Ruostumattoman teräksen jännityskorroosiohalkeilu savuavassa typpihapossa etenee rakeiden välisen hyökkäyksen kautta. Hitsien läheisyydessä olevien raereajojen kromi on tyhjentynyt, koska kromikarbidit saostuvat hitsauksen lämpöjaksojen aikana. Kromi-tyhjentynyt vyöhyke on herkempi korroosiolle kuin kromi-rikkaat rakeiset sisätilat.
Savuvassa typpihapossa korroosiopotentiaalia lisää NO2-pitoisuus. Tässä potentiaalissa kromi-köyhetyt raeraajat liukenevat valikoivasti. Liukeneminen luo terävän loven. Lovi keskittää kohdistetun vetojännityksen. Keskittynyt jännitys rikkoo jäljelle jääneen siltamateriaalin raerajalla. Halkeama siirtää yhden raehalkaisijan eteenpäin. Prosessi toistuu uudessa halkeaman kärjessä.
Halkeaman etenemisnopeus riippuu happopitoisuudesta, lämpötilasta, NO2-pitoisuudesta ja vetojännityksen suuruudesta. Pelkästään jäännöshitsausjännitykset-ilman kuormitusta- ovat riittävät aiheuttamaan halkeamia. Stressinpoistohehkutus vähentää, mutta ei poista herkkyyttä, jos mikrorakenne on herkistynyt.
Taulukko 1: Jännityskorroosion halkeiluherkkyys savuavassa typpihapossa (90 % HNO₃ + liuennut NO₂, 70 astetta)
| Materiaali | SCC-herkkyys | Crack Morphology | Aloitussivustot | Turvallinen käyttörasitus (% tuotosta) |
|---|---|---|---|---|
| Ruostumaton teräs 304 (herkistetty) | Erittäin korkea | Intergranular | Hitsaa HAZ, kylmät{0}}työstöalueet | <10% (unreliable) |
| Ruostumaton teräs 304L (hehkutettu) | Kohtalainen | Intergranular | Hitsaus HAZ (jos herkistynyt) | <30% |
| Ruostumaton teräs 310L | Matala | Intergranular | Vain pidennetty altistus | <50% |
| Titaani luokka 2 | Ei mitään (paitsi pyroforinen riski punaisen savuavan HNO₃:n kanssa) | N/A | N/A | Ei suositella savuavalle HNO3:lle |
| PTFE | Ei mitään | N/A | N/A | 100 % (SCC-mekanismia ei ole olemassa) |
Titaani: erilainen ongelma
Titaania harkitaan joskus typpihappokäyttöön, koska se kestää hyvin yleistä korroosiota. Kuitenkin titaani punaisessa savuavassa typpihapossa, joka sisältää liuennutta NO2:ta, voi käydä läpi pyroforisen reaktion. Pinnalle muodostuu ohut kerros titaaninitraattia tai nitriittiä. Tämä kerros voi hajota räjähdysmäisesti joutuessaan alttiiksi iskuille tai kitkalle. Useat dokumentoidut teollisuustapahtumat liittyvät savuavan typpihapon titaanikomponenttien syttymiseen itsestään huoltokäsittelyn aikana.
Pyroforinen riski eliminoi titaanin turvallisena vaihtoehtona savuaville typpihappolämmönvaihtimille. PTFE:llä ei ole pyroforista riskiä. Täysin hapetettu (fluorattu) polymeeri ei voi enää käydä eksotermisessä reaktiossa typpihapon kanssa.
PTFE: Täydellinen inertisyys typpihapolle
PTFE on inertti typpihapolle kaikissa pitoisuuksissa -laimeasta savuavaan-kaikissa lämpötiloissa aina 260 asteeseen asti. Hiili-fluorisidos ei läpäise typpihapon aiheuttamaa hapetusta, koska hiili on jo korkeimmassa hapetustilassaan fluoriin nähden. Typpihappomolekyyli kohtaa pinnan, joka ei tarjoa elektroneja pelkistettäväksi, ei vetyatomeja, joita voitaisiin vetää, eikä hajoamisherkkiä sidoksia.
Jännityskorroosiohalkeilu on sähkökemiallinen{0}}mekaaninen ilmiö, joka vaatii elektronien siirtoa halkeaman kärjessä. PTFE on sähköeriste, jonka ominaisvastus ylittää 10¹8 ohm·cm. Elektroninsiirtoa ei voi tapahtua. Korroosiovirtaa ei voi virrata. Koko SCC-mekanismi on fyysisesti mahdoton tässä materiaalissa.
Raerajojen puuttuminen eliminoi halkeamien leviämisen mikrorakenteen. PTFE on amorfinen-kiteinen, mutta kiteiset domeenit on upotettu amorfiseen matriisiin. Selektiivistä hyökkäystä varten ei ole jatkuvaa viljarajaverkostoa.
Suunnittelun vaikutukset savuavaan typpihuoltoon
PTFE:n sietokyky SCC:lle yksinkertaistaa lämmönvaihtimen suunnittelua typpihappohuoltoa varten. Valmistuksen jäännösjännitys on merkityksetön, koska SCC:tä ei esiinny. Saumattomissa PTFE-letkuissa-puuttuvat hitsit-ei vaadi valmistuksen jälkeistä-lämpökäsittelyä. Käyttöjännitysrajat asetetaan virumisen ja väsymisen perusteella, ei SCC-kynnysten perusteella.
Ainoa höyryävän typpihapon suunnittelunäkökohta on läpäisy. NO₂ voi tunkeutua PTFE:n läpi hitaasti korotetuissa lämpötiloissa. Lämmönvaihtimissa, joissa käyttöneste on vaipan puolella ja eri neste on putken puolella, läpäisynopeus tulee arvioida mahdollisen ristikontaminaation varalta. Upotuskeloissa, joissa molemmat puolet näkevät typpihappojärjestelmän, läpäisyllä ei ole merkitystä.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimet toimivat turvallisesti savuavassa typpihapossa ilman jännityskorroosiohalkeilua, koska fluoripolymeerillä ei ole raerajoja, sähkökemiallista aktiivisuutta eikä herkkyyttä rakeiden väliselle hyökkäysmekanismille, joka tuhoaa ruostumatonta terästä. Vaikka titaani kestää yleistä korroosiota, se aiheuttaa piroforisen riskin, jota ei voida hyväksyä. PTFE tarjoaa yhdistelmän kemiallista inerttiä ja mekaanista turvallisuutta, joita tarvitaan luotettavaan pitkäaikaiseen-käyttöön tässä aggressiivisessa hapettavassa ympäristössä.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimen spesifikaatioille typpihapossa ja muissa voimakkaissa hapettimissa on saatavilla, kun happopitoisuus, NO₂-pitoisuus, käyttölämpötila ja kaikki nykyisten laitteiden SCC- tai korroosio-ongelmat on toimitettu.
