PTFE 熱交換器は発煙硝酸環境でも応力腐食割れを起こすことなく安全に動作できますか?

前触れもなく現れるひび割れ

ステンレス鋼の熱交換器を 70 度の発煙硝酸で使用すると、溶接部の熱影響部に沿ってヘアライン亀裂が発生します。-亀裂は数週間かけて内部応力点から外側に広がります。目に見える腐食や壁の薄化はなく、厚さの測定による警告もありません。破損モードは応力腐食割れです-引張応力、特定の化学環境、影響を受けやすい材料の微細構造を必要とする相乗的な攻撃です。

溶解した二酸化窒素を含む発煙硝酸は、ステンレス鋼の応力腐食割れが発生しやすい環境の 1 つです。 NO₂ は陰極減極剤として作用し、腐食の可能性を、溶接部付近のクロム-の劣化した粒界で粒界攻撃が始まる状況に移行させます。粒界腐食を防ぐために熱処理された溶体化処理されたステンレス鋼-でも、残留溶接応力が存在すると発煙硝酸中で亀裂が発生する可能性があります。-

PTFE は腐食亀裂に応力を加えることができません。-粒界、不動態皮膜、電気化学ポテンシャル、冶金熱影響部はありません。-硝酸の使用において金属交換体を破壊するクラッキングメカニズムは、フッ素ポリマーにはまったく当てはまりません。

硝酸におけるステンレス鋼の SCC メカニズム

発煙硝酸中でのステンレス鋼の応力腐食割れは、粒界攻撃によって進行します。溶接熱サイクル中にクロム炭化物が沈殿するため、溶接近くの粒界ではクロムが減少します。クロム-が枯渇したゾーンは、クロム-が豊富な粒子内部よりも腐食を受けやすくなります。

発煙硝酸では、NO2 含有量によって腐食電位が上昇します。この電位では、クロム-が枯渇した粒界が選択的に溶解します。溶解により鋭いノッチが形成されます。ノッチにより、加えられる引張応力が集中します。集中した応力により、粒界に残っている架橋材料が破壊されます。亀裂は 1 粒径だけ進みます。このプロセスは新しい亀裂の先端で繰り返されます。

亀裂の進展速度は、酸の濃度、温度、NO₂ 含有量、および引張応力の大きさに依存します。 -荷重を加えない状態で-残留溶接応力だけでも、亀裂を引き起こすのに十分です。微細構造が敏感になっている場合、応力除去焼きなましは感受性を軽減しますが、排除することはできません。

表 1: 発煙硝酸における応力腐食割れ感受性 (90% HNO₃ + 溶存 NO₂、70 度)

チタン: 別の問題

チタンは一般的な腐食によく耐えられるため、硝酸サービスの対象として考慮されることがあります。ただし、溶解した NO2 を含む赤色発煙硝酸中のチタンは自然発火反応を起こす可能性があります。表面に硝酸チタンまたは亜硝酸チタンの薄い層が形成されます。この層は衝撃や摩擦を受けると爆発的に分解する可能性があります。文書化された産業事故のいくつかには、発煙硝酸サービス中のチタン部品がメンテナンス作業中に自然発火することが含まれています。

自然発火のリスクがあるため、発煙硝酸熱交換器の安全な代替品としてチタンは使用できなくなりました。 PTFE には自然発火のリスクがありません。完全に酸化された (フッ素化された) ポリマーは、硝酸とさらに発熱反応を起こすことができません。

PTFE: 硝酸に対して完全に不活性

PTFE は、260 度までのあらゆる温度で、{0}}希薄から発煙までのあらゆる濃度の硝酸に対して不活性です。-炭素-フッ素結合は、炭素がすでにフッ素に対して最も高い酸化状態にあるため、硝酸による酸化を受けません。硝酸分子は、還元される電子、引き抜かれる水素原子、切断されやすい結合を提供しない表面に遭遇します。

応力腐食割れは、亀裂の先端での電子の移動を必要とする電気化学的機械現象です。{0} PTFE は、10¹⁸ オーム・センチメートルを超える抵抗率を持つ電気絶縁体です。電子移動は起こりません。腐食電流が流れません。この材料では SCC メカニズム全体が物理的に不可能です。

粒界が存在しないため、亀裂伝播の微細構造経路が排除されます。 PTFE は非晶質-結晶ですが、結晶ドメインは非晶質マトリックスに埋め込まれています。選択的攻撃が続く連続的な粒界ネットワークは存在しません。

発煙硝酸サービスの設計への影響

PTFE は SCC に対する耐性があるため、硝酸サービス用の熱交換器の設計が簡素化されます。 SCCは発生しないため、製造時の残留応力は関係ありません。 -シームレス PTFE チューブには溶接が存在しない-ため、製造後の熱処理は必要ありません。-動作応力制限は、SCC しきい値ではなく、クリープと疲労を考慮して設定されます。

発煙硝酸に特有の唯一の設計上の考慮事項は透過です。 NO₂ は、高温では PTFE をゆっくりと透過します。サービス流体がシェル側にあり、別の流体がチューブ側にある熱交換器の場合、潜在的な相互汚染について透過速度を評価する必要があります-。両側が硝酸系に見える浸漬コイルの場合、浸透は無関係です。

まとめ

PTFE 熱交換器は、フルオロポリマーには粒界がなく、電気化学的活性がなく、ステンレス鋼を破壊する粒界攻撃メカニズムの影響を受けにくいため、発煙硝酸中で応力腐食割れを起こすことなく安全に動作します。チタンは一般的な腐食には耐えますが、許容できない自然発火リスクがあります。 PTFE は、この攻撃的な酸化環境における信頼性の高い長期使用に必要な化学的不活性性と機械的安全性の組み合わせを提供します。-

酸濃度、NO₂ 含有量、動作温度、および現在の装置での SCC または腐食の問題の履歴を提出すると、硝酸およびその他の強力な酸化剤用途における PTFE 熱交換器仕様のエンジニアリング分析が可能になります。