دو استراتژی دفاعی کاملاً متفاوت
فولاد ضد زنگ 316L و PTFE هر دو در برابر خوردگی در خدمات صنعتی مقاومت می کنند. برداشت در آنجا متوقف می شود. مکانیسمهایی که توسط آنها به این مقاومت دست مییابند اساساً متفاوت است-و این تفاوتها تعیین میکند که آیا آنها در تبخیر فاضلاب با کلرید بالا زنده میمانند یا شکست میخورند.
316L بر یک لایه اکسید کروم غیرفعال با ضخامت تقریباً 2 تا 5 نانومتر متکی است. این فیلم نامرئی به طور خود به خود در تماس سطح فولاد با اکسیژن تشکیل می شود. این یک دفاع پویا و زنده است. باید به طور مداوم توسط یک محیط اکسید کننده نگهداری شود. اگر محیط کاهش یابد یا یون های تهاجمی به فیلم نفوذ کنند، دفاع به صورت موضعی فرو می ریزد و خوردگی شروع می شود.
PTFE بر ساختار مولکولی خود متکی است. پیوندهای کربن-فلورین از نظر ترمودینامیکی پایدار هستند. هیچ لایه غیرفعالی برای نگهداری وجود ندارد، هیچ شرایط محیطی برای حفاظت مداوم مورد نیاز نیست، و هیچ یونی قادر به نفوذ به زنجیره فلوئوروکربن نیست. دفاع ذاتی مواد است، نه وابسته به محیط.
لایه غیرفعال 316L تحت حمله کلرید
در تبخیر فاضلاب با کلرید بالا، غلظت کلرید در دماهای 80 تا 100 درجه به 5000-50000 ppm یا بالاتر میرسد. این شرایط به دلیل فیزیکی خاصی نسبت به فولاد ضد زنگ تهاجمی است: یون کلرید کوچک، بسیار متحرک است و برای مکانهای جذب روی سطح فیلم غیرفعال با اکسیژن رقابت میکند.
فیلم غیرفعال روی 316L کاملاً یکنواخت نیست. این شامل عیوب میکروسکوپی، آخالها و تقاطعهای مرز دانهای است که در آن لایه نازکتر یا کمتر مرتب شده است. یون های کلرید ترجیحاً در این نقاط ضعیف جذب می شوند. پس از جذب، مکانیسم تعمیر فیلم را مختل می کنند. فلز پایه در معرض به صورت موضعی حل می شود و یک گودال ایجاد می کند.
محیط گودال به تدریج تهاجمی تر می شود. یون های فلزی هیدرولیز می شوند و pH داخل گودال را به 1-2 کاهش می دهند. یون های کلرید برای حفظ خنثی بودن بار به داخل گودال مهاجرت می کنند و شیمی تهاجمی را بیشتر متمرکز می کنند. گودال به صورت اتوکاتالیستی رشد می کند در حالی که سطح اطراف غیرفعال و ظاهراً آسیب ندیده باقی می ماند.
مولیبدن موجود در 316L با تشکیل کمپلکسهای کلرید مولیبدن نامحلول که محلهای حفره فعال را مسدود میکند، تا حدودی از ایجاد حفرهها محافظت میکند. این مقاومت حفره ای را در مقایسه با 304 بهبود می بخشد، اما ایمنی ایجاد نمی کند. در سرویس تبخیر کلرید بالا، 316L در نهایت چاله میکند.
جدول 1: مقایسه مکانیسم خوردگی در تبخیر کلرید بالا (10000 ppm Cl-, 90 درجه)
| مشخصه | فولاد ضد زنگ 316 لیتر | PTFE |
|---|---|---|
| مکانیسم حفاظتی | فیلم غیر فعال Cr2O3 (2-5 نانومتر) | پیوندهای مولکولی کربن-فلورین |
| وابستگی به محیط | به شرایط اکسید کننده نیاز دارد | عدم وابستگی محیطی |
| حالت حمله کلرید | تجزیه فیلم موضعی → سوراخ شدن | بدون تعامل |
| نرخ خوردگی حفره ای | 0.1-0.5 میلی متر در سال (محلی) | 0 میلی متر در سال |
| خطر خوردگی شکاف | بالا در واشر، رسوبات | هیچ کدام |
| خطر ترک خوردگی ناشی از خوردگی استرس | متوسط بالای 60 درجه در کلریدها | هیچ کدام |
| قابلیت پیش بینی شکست | کم (نشتی ناگهانی سوراخ سوزن) | N/A (بدون حالت شکست خوردگی) |
| عمر مفید در تبخیر | 2-5 سال معمولی | 15+ سال |
مکانیسم اینرسی ذاتی PTFE
PTFE یک لایه غیرفعال تشکیل نمی دهد. هر اتم در زنجیره پلیمری در حال حاضر در پایدارترین حالت اکسیداسیون خود است. اتمهای کربن کاملاً با فلوئور{2}}الکتروننگاتیوترین عنصر اشباع شدهاند. هیچ حالت اکسیداسیون بالاتری برای رسیدن کربن وجود ندارد، هیچ الکترونی برای تسلیم شدن به یک عامل اکسید کننده، و هیچ مکان واکنشی برای حمله کلرید وجود ندارد.
اتم های فلوئور که ستون فقرات کربن را احاطه کرده اند، غلاف مارپیچ شکلی ایجاد می کنند که به طور فیزیکی از زنجیره کربنی در برابر تماس با محیط محافظت می کند. یون کلریدی که به سطح PTFE نزدیک می شود فقط با اتم های فلوئور مواجه می شود که نمی تواند با آن واکنش نشان دهد. هیچ نیروی محرکه ترمودینامیکی برای کلرید برای جابجایی فلوئور وجود ندارد.
وزن مولکولی و بلورینگی PTFE بر مقاومت نفوذ آن تأثیر می گذارد، اما مقاومت به خوردگی آن مستقل از این عوامل است. حتی PTFE با وزن مولکولی کم-از نظر شیمیایی نسبت به محلول های کلرید بی اثر است. این ماده نمی تواند خورده شود زیرا مسیر واکنش شیمیایی به سادگی وجود ندارد.
مفاهیم عملی برای طراحی اواپراتور
تفاوت مکانیکی دارای مفاهیم مستقیم طراحی است. یک مبدل حرارتی 316 لیتری در سرویس تبخیر کلرید به ضخامت دیواره محافظهکارانه نیاز دارد تا امکان خوردگی حفرهای در طول عمر طراحی فراهم شود. درزهای جوش برای بازگرداندن یکپارچگی لایه غیرفعال نیاز به عملیات پس از جوش{3}} دارند. رویه های عملیاتی باید شرایط اکسید کننده را حفظ کنند. غلظت کلرید باید نظارت و کنترل شود. با وجود این اقدامات، مبدل دارای عمر سرویس محدود و تا حدودی غیرقابل پیش بینی است.
یک مبدل حرارتی PTFE در همان سرویس به هیچ یک از این اقدامات احتیاطی نیاز ندارد. ضخامت دیواره نیازی به خوردگی ندارد. درزهای جوش وجود ندارند-لوله ها بدون درز هستند. شرایط عملیاتی برای کنترل خوردگی نیازی به نظارت ندارد. عمر مفید توسط عوامل مکانیکی مانند خزش و خستگی محدود شده است، نه با تخریب شیمیایی.
خلاصه
مکانیسمهای ضد خوردگی 316L و PTFE اساساً متفاوت است. 316L بستگی به یک فیلم غیرفعال پویا دارد که در برابر نفوذ کلرید و خرابی موضعی آسیبپذیر است. PTFE به پایداری ترمودینامیکی ذاتی پیوندهای کربن{4}فلورین بستگی دارد که کلرید نمی تواند به آن حمله کند.
در تبخیر فاضلاب با کلرید بالا، این تفاوت مکانیکی به عمر مفید 316 لیتری اندازهگیری شده در سال، با خرابی حفرهای غیرقابل پیشبینی، در مقابل عمر مفید PTFE که در دههها اندازهگیری میشود، بدون حالت شکست خوردگی تبدیل میشود. نتیجه عملی طراحی ساده تر، تعمیر و نگهداری کمتر، و عملکرد بلندمدت قابل پیش بینی- با PTFE است.
تجزیه و تحلیل مهندسی برای انتخاب مواد مبدل حرارتی در کاربردهای خاص تبخیر فاضلاب پس از ارائه غلظت کلرید، دمای عملیاتی، pH، سایر غلظتهای یون تهاجمی و دادههای عمر مفید تجهیزات فعلی موجود است.
