Kaksi täysin erilaista puolustusstrategiaa
Ruostumaton teräs 316L ja PTFE kestävät molemmat korroosiota teollisessa käytössä. Vaikutus pysähtyy siihen. Mekanismit, joilla ne saavuttavat tämän vastuksen, ovat pohjimmiltaan erilaisia,-ja nämä erot määrittävät sen, selviytyvätkö ne vai epäonnistuvatko ne korkeassa-kloridipitoisessa jäteveden haihtumisessa.
316L perustuu passiiviseen kromioksidikerrokseen, joka on noin 2-5 nanometriä paksu. Tämä näkymätön kalvo muodostuu spontaanisti, kun teräspinta koskettaa happea. Se on dynaaminen, elävä puolustus. Sitä on jatkuvasti ylläpidettävä hapettavalla ympäristöllä. Jos ympäristö muuttuu pelkistäväksi tai jos aggressiiviset ionit tunkeutuvat kalvoon, suoja romahtaa paikallisesti ja alkaa korroosiota.
PTFE perustuu molekyylirakenteeseensa. Hiili-fluorisidokset ovat termodynaamisesti stabiileja. Ei ole olemassa passiivista kerrosta ylläpidettävänä, jatkuvaa suojaa varten ei vaadita ympäristöolosuhteita eikä ioneja, jotka pystyvät tunkeutumaan fluorihiiliketjun läpi. Puolustus on materiaalille ominaista, ei ympäristöstä riippuvaista.
316 litran passiivinen kerros kloridihyökkäyksen alla
Kloridipitoisessa jäteveden haihduttamisessa kloridipitoisuudet saavuttavat 5 000–50 000 ppm tai enemmän 80–100 asteen lämpötiloissa. Nämä olosuhteet ovat aggressiivisia ruostumatonta terästä kohtaan tietystä fysikaalisesta syystä: kloridi-ioni on pieni, erittäin liikkuva ja kilpailee hapen kanssa adsorptiokohdista passiivisen kalvon pinnalla.
316L:n passiivinen kalvo ei ole täysin yhtenäinen. Se sisältää mikroskooppisia vikoja, sulkeumia ja raerajojen leikkauskohtia, joissa kalvo on ohuempi tai vähemmän järjestetty. Kloridi-ionit adsorboituvat ensisijaisesti näihin heikkoihin kohtiin. Kun ne on adsorboitu, ne häiritsevät kalvon korjausmekanismia. Paljas perusmetalli liukenee paikallisesti muodostaen kuopan.
Kuoppaympäristö muuttuu asteittain aggressiivisemmaksi. Metalli-ionit hydrolysoituvat alentaen pH:n kuopan sisällä 1-2:een. Kloridi-ionit kulkeutuvat kuoppaan säilyttääkseen varausneutraaliuden ja keskittyvät entisestään aggressiiviseen kemiaan. Kuoppa kasvaa autokatalyyttisesti, kun taas ympäröivä pinta pysyy passiivisena ja ilmeisesti vahingoittumattomana.
Molybdeeni 316 litrassa tarjoaa jonkin verran suojaa pistesyötymiseltä muodostamalla liukenemattomia molybdeenikloridikomplekseja, jotka estävät aktiiviset kuoppakohdat. Tämä parantaa pistesyöpymiskestävyyttä verrattuna 304:ään, mutta se ei anna immuniteettia. Korkean-kloridin haihdutuspalvelussa 316 litraa tulee lopulta kuoppiin.
Taulukko 1: Korroosiomekanismin vertailu korkeassa-kloridihaihdutuksessa (10 000 ppm Cl⁻, 90 astetta)
| Ominaista | Ruostumaton teräs 316L | PTFE |
|---|---|---|
| Suojamekanismi | Passiivinen Cr2O3-kalvo (2-5 nm) | Hiili{0}}fluorimolekyylisidokset |
| Riippuvuus ympäristöstä | Vaatii hapettavia olosuhteita | Ei ympäristöriippuvuutta |
| Kloridihyökkäystila | Paikallinen kalvon hajoaminen → pistesyöpyminen | Ei vuorovaikutusta |
| Pistekorroosionopeus | 0,1-0,5 mm/vuosi (lokalisoitu) | 0 mm/vuosi |
| Rakojen korroosion riski | Korkeat tiivisteet, kerrostumat | Ei mitään |
| Jännityskorroosiohalkeiluvaara | Kohtalainen yli 60 astetta klorideissa | Ei mitään |
| Epäonnistumisen ennustettavuus | Matala (äkilliset neulanreiän vuodot) | Ei käytössä (ei korroosiohäiriötilaa) |
| Käyttöikä haihdutuksessa | 2-5 vuotta tyypillisesti | 15+ vuotta |
PTFE:n luontainen inertisyysmekanismi
PTFE ei muodosta passiivista kerrosta. Jokainen polymeeriketjun atomi on jo vakaimmassa hapetustilassaan. Hiiliatomit ovat täysin kyllästettyjä fluorilla-, joka on elektronegatiivisin alkuaine. Hiilen saavuttaessa ei ole korkeampaa hapetusastetta, ei elektroneja, jotka antautuisivat hapettavalle aineelle, eikä reaktiivista kohtaa kloridin hyökkäämiselle.
Hiilirunkoa ympäröivät fluoriatomit muodostavat kierteisen vaipan, joka suojaa hiiliketjua fyysisesti kosketukselta ympäristön kanssa. PTFE-pintaa lähestyvä kloridi-ioni kohtaa vain fluoriatomeja, joiden kanssa se ei voi reagoida. Kloridilla ei ole termodynaamista voimaa syrjäyttää fluoria.
PTFE:n molekyylipaino ja kiteisyys vaikuttavat sen läpäisynkestävyyteen, mutta sen korroosionkestävyys on näistä tekijöistä riippumaton. Jopa pieni-molekyylipainoinen-PTFE on kemiallisesti inertti kloridiliuoksille. Materiaali ei voi syöpyä, koska kemiallista reaktioreittiä ei yksinkertaisesti ole olemassa.
Käytännön vaikutukset höyrystimen suunnitteluun
Mekanistisella erolla on suoria suunnitteluvaikutuksia. Kloridihaihdutuspalvelussa käytettävä 316 litran lämmönvaihdin vaatii konservatiivisen seinämän paksuuden, jotta pistekorroosio sallitaan koko suunnittelun käyttöiän ajan. Hitsaussaumat vaativat jälkikäsittelyn-passiivisen kalvon eheyden palauttamiseksi. Käyttömenetelmien tulee säilyttää hapettavat olosuhteet. Kloridipitoisuutta on seurattava ja valvottava. Näistä toimenpiteistä huolimatta vaihtimen käyttöikä on rajallinen, jokseenkin arvaamaton.
Samassa palvelussa oleva PTFE-lämmönvaihdin ei vaadi mitään näistä varotoimista. Seinämän paksuus ei vaadi korroosionvaraa. Hitsaussaumat eivät ole olemassa-putket ovat saumattomia. Käyttöolosuhteet eivät vaadi valvontaa korroosion torjumiseksi. Käyttöikää rajoittavat mekaaniset tekijät, kuten viruminen ja väsyminen, eivät kemiallinen hajoaminen.
Yhteenveto
316L:n ja PTFE:n -korroosionestomekanismit eroavat perustavanlaatuisesti. 316L riippuvat dynaamisesta passiivikalvosta, joka on herkkä kloridin tunkeutumiselle ja paikalliselle hajoamiselle. PTFE riippuu hiili-fluorisidosten luontaisesta termodynaamisesta stabiilisuudesta, jota kloridi ei voi hyökätä.
Korkeassa-kloridipitoisessa jäteveden haihdutuksessa tämä mekaaninen ero merkitsee 316 litran käyttöikää vuosina mitattuna ennakoimattomilla pistevaurioilla verrattuna PTFE:n käyttöikään mitattuna vuosikymmeninä, ilman korroosiovauriotilaa. Käytännön seuraus on yksinkertaisempi suunnittelu, vähemmän huoltoa ja ennustettava pitkän aikavälin suorituskyky-PTFE:llä.
Tekninen analyysi lämmönvaihtimen materiaalien valinnasta tietyissä jäteveden haihdutussovelluksissa on saatavilla, kun toimitetaan kloridipitoisuus, käyttölämpötila, pH, muut aggressiiviset ionipitoisuudet ja nykyiset laitteiden käyttöikätiedot.
