Segahappe probleem
Lämmastik-vesinikfluoriidhappe segusid kasutatakse titaani keemilisel jahvatamisel, roostevaba terase peitsimisel ja pooljuhtvahvlite söövitamisel. Lämmastikhape annab oksüdeeriva toime. Vesinikfluoriidhape annab fluoriidiioone, mis komplekseeruvad lahustunud metallidega ja takistavad nende sadestumist.
See kombinatsioon on enamiku metallide jaoks laastav. Lämmastikhape üksi passiveerib paljusid metalle oksüdatsiooni kaudu. Vesinikfluoriidhape üksi ründab paljusid metalle fluoriidide kompleksi moodustumise kaudu. Koos loovad need sünergilise rünnaku: lämmastikhape säilitab kõrge korrosioonipotentsiaali, samal ajal kui fluoriidiioonid hävitavad kõik moodustunud passiivsed kile.
Nioobium on üks väheseid metalle, millel on selle keskkonna suhtes kasulik vastupidavus. Selle Nb2O5 passiivne kile on stabiilne oksüdeerivates hapetes ja talub fluoriidi paremini kui titaan või tsirkoonium. Nioobiumsoojusvahetid töötavad segahapperakendustes, kus teised metallid purunevad mõne tunni jooksul.
PTFE on immuunne nii hapete suhtes eraldi kui ka nende kombinatsiooni suhtes. Võrdlus nioobiumiga on materjali vahel, mis talub keskkonda vastupidava, kuid haavatava oksiidkile kaudu, ja materjali vahel, mis ei ole termodünaamiliselt võimeline kummagi happega reageerima.
Nioobiumi passiivkile fluoriidirünnaku all
Nioobiumi Nb2O5 passiivkile on fluoriidi suhtes vastupidavam kui TiO₂-kile titaanil või ZrO2-kile tsirkooniumil. Nioobium-fluoriidikompleksid on vähem stabiilsed kui titaan-fluoriidikompleksid, mistõttu fluoriidioonid konkureerivad vähem tõhusalt oksiidivõre metalliaatomite pärast.
Resistentsus ei ole aga immuunsus. HNO₃-HF segudes kõrgendatud temperatuuridel lahustub passiivne kile mõõdetava kiirusega. Lahustumine kiireneb terade piiridel, pinnadefektide ja tootmisest tuleneva suure jääkpingega piirkondades. Aja jooksul tekitab passiivse kile lokaalne hõrenemine kohti, kus selle all olev metall paljastub.
Kui mitteväärismetall on kokku puutunud, komplekseeruvad fluoriidioonid otse nioobiumi aatomitega. Saadud nioobium-fluoriidikompleks on lahustuv ja siseneb lahusesse. Rünnak rikkumiskohas kulgeb kiiremini kui filmi lahustamine mujal. Moodustub süvend. Kaevu keskkond on tühjenenud lämmastikhappest -oksüdeerijast, mis muidu pinda uuesti passiveeriks- ja rikastatud fluoriidiga. Autokatalüütiline punktide eemaldamise tsükkel on loodud.
Tabel 1: pikaajaline{1}}usaldusväärsuse võrdlus 20% HNO₃ + 5% HF juures 60 kraadi juures
| Usaldusväärsuse parameeter | nioobium | PTFE |
|---|---|---|
| Passiivfilmi kompositsioon | Nb2O5 | Puudub (olemuslikud C-F-võlakirjad) |
| Kile lahustumiskiirus HF-des (nm/päevas) | 0.5-2.0 | N/A |
| Punktide tegemise algusaeg 60 kraadi juures | 500–2000 tundi (muutuv) | Mitte kunagi |
| Punktide levimise kiirus (mm/aastas auku kohta) | 0.1-0.5 | 0 |
| Tundlikkus happe suhte varieerumisele | Mõõdukas (kõrgenduse tõus kiirendab rünnakut) | Mitte ühtegi |
| Tundlikkus temperatuurimuutuste suhtes | Märkimisväärne (määr kahekordistub 10 kraadi kohta) | Puudub (alla 260 kraadi) |
| Tundlikkus valmistamiskvaliteedi suhtes | Kõrge (keevituspiirkonnad tundlikumad) | Madal (õmblusteta torud) |
| Kasutusaja prognoositavus | Madal (piting on stohhastiline) | Kõrge (libisemise{0}}põhine) |
| Rikkehoiatus | Sageli mitte ühtegi (äkiline auk) | Järk-järguline (mõõdetav seina hõrenemine) |
Valmistamiskvaliteedi tundlikkus
Nioobiumsoojusvahetid vajavad keevitamist inertses atmosfääris. Keevisõmbluse tsoonil ja kuumusest{1}}mõjutatud tsoonil on erinev mikrostruktuur kui mitteväärismetallil. Terade kasv keevitamisel vähendab tera piiride arvu, kuid allesjäänud piirid on suurema energiaga ja vastuvõtlikumad keemilisele rünnakule.
Keevitusejärgne kuumtöötlus võib osaliselt taastada homogeensuse, kuid keevisõmbluse tsoon ei saavuta kunagi sama korrosioonikindlust kui mitteväärismetall. Sega-HNO₃-HF-teenuse puhul on keevisõmbluspiirkonnad eelistatud kohad süvendi initsieerimiseks. Keevitamise kvaliteet-keevitaja oskused, inertgaasi puhtus, vuugi ettevalmistuse puhtus-määravad otseselt soojusvaheti kasutusea.
PTFE soojusvahetitel pole torukimbus keevisõmblusi. Torud on õmblusteta ekstrusioonid. Ühendused on mehaanilised surveliitmikud. Metallurgia nõrgad kohad puuduvad. Valmis soojusvaheti kvaliteedi määrab PTFE-vaigu konsistents ja ekstrusiooniprotsessi täpsus{4}}mõlemad kõrgelt standardiseeritud tööstuslikud toimingud.
Hoolduse ja ülevaatuse erinevus
Nioobiumvahetid nõuavad perioodilist ülevaatust aukude tekkeks. Toruseinte pöörisvoolutest või ultraheliskaneerimine tuvastab süvendid enne nende tungimist. Ülevaatuse intervall põhineb prognoositud kaevu algatamise ajal, kuid süvendite tekke stohhastiline olemus tähendab, et kaev võib planeeritud ülevaatuste vahel alguse saada ja levida.
PTFE soojusvahetid kontrollitakse ultraheli paksuse mõõtmisega. Seina paksus väheneb prognoositavalt vastavalt roomekiirusele töötemperatuuril. Mingeid auke ei teki. Lokaliseeritud rünnakut ei toimu. Kontrollimise intervalli saab määrata konservatiivselt, kuna lagunemisrežiim on aeglane ja ühtlane.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetid pakuvad paremat pikaajalist-töökindlust kui nioobium lämmastik-vesinikfluoriidhappe segudes, kuna PTFE-l puudub passiivne kile, mida fluoriidioonid saaksid rünnata. Nioobiumi Nb2O5 kile lahustub HF-is aeglaselt ja lokaalne lagunemine põhjustab ettearvamatut täppide moodustumist. Eriti vastuvõtlikud on keevistsoonid.
PTFE tagab prognoositava ja ühtlase lagunemise läbi roomamise, mida plaaniline kontroll suudab jälgida. Nioobium tagab stohhastilise täppide moodustumise, mis võib ülevaatuste vahel põhjustada äkilisi rikkeid. Protsesside jaoks, kus planeerimata seisakuajad on kulukad või kus segatud hapete vahekord on erinev, on PTFE usaldusväärsem valik.
Tehniline analüüs segahappega teenindusmaterjalide valimiseks on saadaval happe kontsentratsiooni, temperatuuri, soojusvõimsuse, keevitus- ja kontrollivõimaluste ning seisakukulude andmete esitamisel.
