Una planta química sacó un calentador de inmersión de PTFE de un baño de ácido nítrico al 30% a 85 grados después de cinco meses de servicio. La superficie del calentador mostró un patrón de grietas finas que se cruzan-un patrón de fisuras-a lo largo de toda la sección calentada. El PTFE se sintió duro y quebradizo, no suave y flexible como debería. La resistencia del aislamiento había caído de 500 MΩ a 30 MΩ. El ácido nítrico había oxidado el polímero, fragilizando la superficie y provocando que se agrietara.
El ácido nítrico caliente es uno de los ácidos oxidantes más agresivos para el PTFE. A temperaturas moderadas, la velocidad de oxidación es lenta y el PTFE permanece flexible. A temperaturas elevadas-por encima de 80 grados -la tasa de oxidación se acelera y la superficie del polímero comienza a degradarse. Las cadenas de polímeros se rompen y la superficie se vuelve dura y quebradiza.
Cómo el ácido nítrico fragiliza el PTFE
El ácido nítrico oxida el PTFE en los extremos de la cadena y en los defectos estructurales del polímero. La oxidación crea fluoruro de carbonilo y otras especies oxidadas que alteran la cadena del polímero. La escisión de la cadena reduce el peso molecular del polímero y su resistencia mecánica.
La capa superficial oxidada tiene propiedades diferentes a las del polímero en masa. Es más duro, más quebradizo y menos flexible. Cuando el calentador realiza un ciclo térmico, la superficie quebradiza no puede soportar la tensión. Se agrieta.
| Concentración de ácido nítrico | Temperatura | Tasa de oxidación | Tiempo para endurecer la superficie | Es hora de romper |
|---|---|---|---|---|
| 10% | 60 grados | muy bajo | >36 meses | >48 meses |
| 20% | 70 grados | Bajo | 18 a 30 meses | 24-36 meses |
| 30% | 80 grados | Moderado | 8 a 14 meses | 12 a 20 meses |
| 40% | 85 grados | Alto | 4 a 8 meses | 6 a 12 meses |
| 50% | 90 grados | muy alto | 2 a 4 meses | 3 a 8 meses |
Efectos de la concentración de ácido nítrico y la temperatura sobre la fragilización del PTFE
Por qué las grietas forman un patrón enloquecido
El patrón de agrietamiento-grietas finas que se cruzan-es característico de una capa superficial quebradiza sobre un sustrato flexible. Cuando el calentador se calienta, la funda metálica se expande y la capa superficial frágil debe estirarse para adaptarse a la expansión. Si la capa superficial no puede estirarse, se agrieta. Las grietas se forman siguiendo un patrón aleatorio porque la capa superficial es uniforme y la tensión está distribuida.
El patrón de agrietamiento es diferente de las grietas causadas por fatiga térmica o daño mecánico. Las grietas por fatiga térmica suelen concentrarse en los puntos de tensión. Se localizan grietas por daños mecánicos. Las grietas agrietadas se distribuyen por toda la superficie afectada.
Por qué el servicio de ácido nítrico caliente es particularmente exigente
El ácido nítrico es un ácido oxidante. El potencial de oxidación aumenta con la concentración y la temperatura. A 85 grados y una concentración del 30%, la tasa de oxidación es lo suficientemente alta como para fragilizar la superficie de PTFE en cuestión de meses.
El ácido nítrico también impregna el PTFE. La tasa de permeación aumenta con la temperatura. El ácido que llega al aislamiento interno reduce la resistencia del aislamiento. La combinación de fragilización de la superficie y permeación interna hace que el calentador falle más rápido que cualquiera de los mecanismos por separado.
Prevención de la fragilidad de la superficie en ácido nítrico caliente
La prevención más eficaz es reducir la temperatura de la superficie. Una densidad de vatios más baja-0,8–1,0 W/cm² mantiene la temperatura de la superficie dentro de un rango en el que la tasa de oxidación es baja. Un calentador de 0,9 W/cm² puede funcionar entre 10 y 15 grados más frío que uno de 1,4 W/cm², lo que puede duplicar el tiempo hasta que la superficie se endurezca.
Un recubrimiento de PTFE más grueso proporciona más material para absorber la oxidación. La capa superficial oxidada es de sacrificio. Un recubrimiento más grueso tiene más polímero debajo de la capa oxidada, por lo que el calentador conserva sus propiedades de barrera por más tiempo.
Un intervalo de servicio más corto para inspección y reemplazo es un enfoque práctico. En servicio con ácido nítrico caliente, el calentador debe inspeccionarse cada 2 a 3 meses. Si se detecta endurecimiento de la superficie, se debe reemplazar el calentador antes de que las grietas penetren en el revestimiento.
| Medida de Prevención | Efecto sobre la fragilidad | Implementación |
|---|---|---|
| Menor densidad de vatios, 0,8–1,0 W/cm² | Oxidación más lenta | Diseño de calentador |
| Recubrimiento más grueso, 2,5–3,0 mm | Más material de sacrificio | Proceso de recubrimiento |
| Intervalo de inspección más corto | Detección temprana | Programa de mantenimiento |
| Temperatura reducida | Menor tasa de oxidación | control de procesos |
Medidas de prevención de la fragilización de superficies en ácido nítrico caliente.
Cuando la fragilidad de la superficie indica un problema de diseño
Un calentador que se vuelve quebradizo y se agrieta a pesar de la baja densidad de vatios y una capa gruesa indica que el material o el diseño del calentador no son adecuados para el servicio de ácido nítrico caliente. Una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con una densidad de vatios muy baja, un recubrimiento grueso y un grado de polímero-resistente a la temperatura aborda la causa fundamental de la fragilidad. El proceso de especificación requiere la concentración de ácido nítrico, la temperatura de funcionamiento y la potencia requerida. Para instalaciones con baños de ácido nítrico caliente, este enfoque específico-de aplicación reduce la fragilidad de la superficie y extiende la vida útil del calentador.
