Une usine chimique a sorti un thermoplongeur en PTFE d’un bain d’acide nitrique à 30 % à 85 degrés après cinq mois de service. La surface du radiateur présentait un motif de fines fissures qui se croisent -un motif de craquelures-sur toute la section chauffée. Le PTFE était dur et cassant, mais pas mou et flexible comme il le devrait. La résistance d'isolement est passée de 500 MΩ à 30 MΩ. L'acide nitrique avait oxydé le polymère, fragilisant la surface et provoquant des fissures.
L'acide nitrique chaud est l'un des acides oxydants les plus agressifs pour le PTFE. A températures modérées, la vitesse d'oxydation est lente et le PTFE reste flexible. À des températures élevées -supérieures à 80 degrés -le taux d'oxydation s'accélère et la surface du polymère commence à se dégrader. Les chaînes polymères se brisent et la surface devient dure et cassante.
Comment l’acide nitrique fragilise le PTFE
L'acide nitrique oxyde le PTFE aux extrémités de la chaîne et au niveau des défauts structurels du polymère. L'oxydation crée du fluorure de carbonyle et d'autres espèces oxydées qui perturbent la chaîne polymère. La scission de chaîne réduit le poids moléculaire du polymère et sa résistance mécanique.
La couche superficielle oxydée a des propriétés différentes de celles du polymère en vrac. Il est plus dur, plus cassant et moins flexible. Lorsque le chauffage effectue un cycle thermique, la surface fragile ne peut pas supporter la contrainte. Ça craque.
| Concentration d'acide nitrique | Température | Taux d'oxydation | Temps de durcissement de la surface | Il est temps de craquer |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 degrés | Très faible | >36 mois | >48 mois |
| 20% | 70 degrés | Faible | 18 à 30 mois | 24 à 36 mois |
| 30% | 80 degrés | Modéré | 8 à 14 mois | 12 à 20 mois |
| 40% | 85 degrés | Haut | 4 à 8 mois | 6 à 12 mois |
| 50% | 90 degrés | Très élevé | 2 à 4 mois | 3 à 8 mois |
Effets de la concentration d'acide nitrique et de la température sur la fragilisation du PTFE
Pourquoi les fissures forment un motif fou
Le motif de fissuration-fissures fines et entrecroisées-est caractéristique d'une couche superficielle fragile sur un substrat flexible. Lorsque le radiateur chauffe, la gaine métallique se dilate et la couche superficielle fragile doit s'étirer pour s'adapter à l'expansion. Si la couche superficielle ne peut pas s’étirer, elle se fissure. Les fissures se forment de manière aléatoire car la couche superficielle est uniforme et les contraintes sont réparties.
Le motif de fissuration est différent des fissures provoquées par la fatigue thermique ou les dommages mécaniques. Les fissures de fatigue thermique sont généralement concentrées aux points de contrainte. Les fissures dues aux dommages mécaniques sont localisées. Les fissures de craquelage sont réparties sur toute la surface affectée.
Pourquoi le service d'acide nitrique chaud est particulièrement exigeant
L'acide nitrique est un acide oxydant. Le potentiel d'oxydation augmente avec la concentration et la température. À 85 degrés et 30 % de concentration, le taux d'oxydation est suffisamment élevé pour fragiliser la surface du PTFE en quelques mois.
L'acide nitrique imprègne également le PTFE. Le taux de perméation augmente avec la température. L'acide qui atteint l'isolation interne réduit la résistance de l'isolation. La combinaison de la fragilisation de la surface et de la perméation interne entraîne une défaillance du réchauffeur plus rapidement que l'un ou l'autre mécanisme seul.
Prévenir la fragilisation de la surface dans l'acide nitrique chaud
La prévention la plus efficace consiste à réduire la température de surface. Une densité de watts inférieure -0,8 à 1,0 W/cm² maintient la température de surface dans une plage où le taux d'oxydation est faible. Un appareil de chauffage à 0,9 W/cm² peut fonctionner 10 à 15 degrés plus bas qu'un appareil à 1,4 W/cm², ce qui peut doubler le temps de durcissement de la surface.
Un revêtement PTFE plus épais fournit plus de matériau pour absorber l'oxydation. La couche superficielle oxydée est sacrificielle. Un revêtement plus épais contient plus de polymère sous la couche oxydée, de sorte que l'élément chauffant conserve ses propriétés barrière plus longtemps.
Un intervalle d'entretien plus court pour l'inspection et le remplacement est une approche pratique. En service avec de l'acide nitrique chaud, le réchauffeur doit être inspecté tous les 2 à 3 mois. Si un durcissement de la surface est détecté, le radiateur doit être remplacé avant que les fissures ne pénètrent dans le revêtement.
| Mesure de prévention | Effet sur la fragilisation | Mise en œuvre |
|---|---|---|
| Densité de puissance inférieure, 0,8 à 1,0 W/cm² | Oxydation plus lente | Conception du chauffage |
| Revêtement plus épais, 2,5 à 3,0 mm | Plus de matériel sacrificiel | Processus de revêtement |
| Intervalle d'inspection plus court | Détection précoce | Calendrier d'entretien |
| Température réduite | Taux d'oxydation inférieur | Contrôle des processus |
Mesures de prévention contre la fragilisation des surfaces dans l'acide nitrique chaud
Lorsque la fragilisation de la surface indique un problème de conception
Un radiateur qui se fragilise et se fissure malgré une faible densité de puissance et un revêtement épais indique que le matériau du radiateur ou sa conception n'est pas adapté au service d'acide nitrique chaud. Une configuration de thermoplongeur en PTFE personnalisée avec une très faible densité de watts, un revêtement épais et une qualité de polymère résistant à la température-s'attaque à la cause profonde de la fragilisation. Le processus de spécification nécessite la concentration d’acide nitrique, la température de fonctionnement et la puissance requise. Pour les installations équipées de bains d'acide nitrique chaud, cette approche spécifique à l'application- réduit la fragilisation de la surface et prolonge la durée de vie du réchauffeur.
