เหตุใดท่อทำความร้อนไฟฟ้าแบบปลอกสแตนเลส 316 จึงเกิดการกัดกร่อนตามรอยแยกที่เร่งขึ้นใต้ฉากรองรับ PTFE ในระดับปานกลาง-ถังเก็บน้ำร้อนคลอไรด์

ขายึดสำหรับท่อทำความร้อนไฟฟ้าในถังเก็บน้ำร้อนมักทำจากโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) หรือฟลูออโรโพลีเมอร์อื่นๆ และใช้เพื่อป้องกันไม่ให้ปลอกสแตนเลส 316 หลุดจากผนังถังเหล็กคาร์บอน การออกแบบนี้ป้องกันการกัดกร่อนด้วยกัลวานิกของโลหะที่ไม่เหมือนกัน แต่การวิเคราะห์ความล้มเหลวภาคสนามของเครื่องทำน้ำอุ่นเชิงพาณิชย์และระบบจัดเก็บความร้อนแสดงให้เห็นว่ารอยแยกที่เกิดขึ้นระหว่างโครงยึด PTFE และปลอกสแตนเลส 316 ทำให้เกิดเคมีเฉพาะที่ที่รุนแรงซึ่งส่งเสริมการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก ซึ่งมักส่งผลให้เครื่องทำความร้อนล้มเหลวภายใน 6-18 เดือนในน้ำที่มีคลอไรด์เพียง 50-150 ppm วัสดุ PTFE นั้นเป็นวัสดุเฉื่อยทางเคมี แต่คุณสมบัติที่ไม่สามารถซึมผ่านได้ของ PTFE จะยับยั้งออกซิเจนและน้ำปริมาณมากไม่ให้เข้าสู่รอยแยกที่แน่น ซึ่งเป็นสิ่งที่นำไปสู่การก่อตัวของเซลล์เติมอากาศที่แตกต่างกัน เมื่อเกิดรอยแยก น้ำที่ติดอยู่ในรอยแยกจะทำปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส ซึ่งจะทำให้ค่า pH ในท้องถิ่นลดลงเหลือ 3.5-4.0 ไอออนของคลอไรด์จะเคลื่อนเข้าสู่รอยแยกเพื่อรักษาความเป็นกลางของประจุ โดยมีความเข้มข้นสูงถึง 10 เท่าของความเข้มข้นของน้ำปริมาณมาก บทความนี้ประมาณค่าจลนพลศาสตร์ของการกัดกร่อนตามรอยแยกภายใต้ตัวรองรับ PTFE บนปลอกสแตนเลส 316 และเสนอเทคนิคทางวิศวกรรมเพื่อหลีกเลี่ยงโหมดความล้มเหลวนี้ในการให้บริการน้ำร้อน

กลไกไฟฟ้าเคมีของการกัดกร่อนตามรอยแยกใต้ส่วนรองรับโพลีเมอร์ที่ไม่มีรู-
กลไกการกัดกร่อนตามรอยแยกบนเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ต้องใช้ช่องว่างทางเรขาคณิตซึ่งโดยปกติจะเล็กกว่า 0.1 มม. เพื่อสร้างเขตจำกัดการแพร่กระจาย เมื่อยึดกับปลอกที่มีชั้นกันกระแทกยางหรือซิลิโคน ขายึด PTFE สามารถสร้างช่องว่างได้ 0.05–0.3 มม. ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของการบีบอัดและการขยายตัวเนื่องจากความร้อน เมื่อน้ำปริมาณมากเข้าไปในรอยแยกนี้ ออกซิเจนภายในปริมาตรที่จำกัดจะหมดลงอย่างรวดเร็วโดยกระบวนการลด cathodic บนพื้นผิวโลหะ ในกระบวนการแคโทดิก ออกซิเจนและอิเล็กตรอนจะถูกรีดิวซ์ให้กลายเป็นไฮดรอกไซด์ไอออน: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OH - อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก PTFE ไม่สามารถแพร่กระจายของออกซิเจนได้ จึงไม่มีการเติมจากน้ำปริมาณมาก ปริมาตรเล็กน้อยที่ติดกับดักจะถูกกำจัดออกไป และศักยภาพในท้องถิ่นจะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณที่มีการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 โลหะคลอไรด์ในรอยแยกจะผ่านการไฮโดรไลซิสเพื่อให้กรดอิสระ: FeCl 2 + 2H 2 O → Fe(OH) 2 + 2HCl วิธีการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัตินี้จะลดค่า pH ลงจนถึงระดับที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิม 316 หมดไป ซึ่งต้องใช้คลอไรด์ปริมาณเพียง 50-100 ppm เพื่อเริ่มและคงการโจมตีไว้

การศึกษาทดลองกับไมโครอิเล็กโทรดที่วางอยู่ในรอยแตกระหว่างบล็อก PTFE และแผ่นเหล็กสแตนเลส 316 ในน้ำคลอไรด์ 100 ppm ที่ 70 องศา แสดงความก้าวหน้าดังต่อไปนี้:

24 ชั่วโมงแรก: pH เป็นกลุ่ม 7.2, pH ตามรอยแยก 6.5, คลอไรด์ตามรอยแยก 120 ppm

72 ชม. รอยแยก pH 5.2, คลอไรด์ 280 ppm. การเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นของวงจรเปิดจาก +50 mV เป็น -250 mV เทียบกับ Ag/AgCl

168 ชม. pH 3.8 คลอไรด์ 960 ppm (รอยแยก) รูพรุนที่มองเห็นได้เริ่มต้นที่ขอบรอยแยก

336 ชม.: pH 3.2, ความเข้มข้นของคลอไรด์ในรอยแยก 1100 ppm อัตราการเจาะหลุมมากกว่า 0.1 มม. ต่อสัปดาห์ที่ 70 องศา

สำหรับถังเก็บน้ำร้อนอุณหภูมิ 60–80 องศา อัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้น 2–3 เท่าทุกๆ 10 องศา เนื่องจากอัตราการแพร่กระจายเร็วขึ้นและจลนพลศาสตร์ไฮโดรไลซิสเชิงรุกมากขึ้น

ความกว้างที่สำคัญของช่องว่างและปัญหาความเข้ากันได้ของวัสดุ
รอยแตกร้าวไม่ได้ทั้งหมดจะเป็นอันตรายเท่ากัน การกัดกร่อนของรอยแยกที่รุนแรงที่สุดเกิดขึ้นภายในช่วงเรขาคณิตที่แน่นอน และส่วนต่อประสานที่ทำจากสแตนเลส PTFE จะอยู่ในบริเวณที่สำคัญ ผลการศึกษาช่องว่างแบบควบคุมในเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในน้ำคลอไรด์ 150 ppm ที่ 75 องศา มีดังนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของรอยแยกและความลึกของหลุมสูงสุดหลังจาก 500 ชั่วโมงคือ:

ความกว้างของช่องว่างตามรอยแยก (มม.) สถานะการแพร่กระจายของออกซิเจน ความลึกของหลุมสูงสุด (มม.) สัณฐานวิทยาของหลุม < 0.02 (โดยพื้นฐานแล้วการสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะ) ไม่มีน้ำเข้า ไม่มีการกัดกร่อนของรอยแยก 0.00 ไม่มีการโจมตี 0.02 – 0.08 การขาดออกซิเจนอย่างรุนแรง น้ำเข้าอย่างจำกัด 0.25 – 0.45 หลุมลึกแคบ
0.08 – 0.25 การแลกเปลี่ยนน้ำปานกลาง, วงจรเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติแบบแอคทีฟ 0.40-0.70 รูตัดด้านล่างขนาดใหญ่
0.25 – 0.50 ความรุนแรงต่ำ การไหลเวียนของน้ำบางส่วน 0,15 – 0,30A จำนวนร่องลึกตื้น 0.50 การไหลเวียนของน้ำอย่างอิสระ การแพร่กระจายของออกซิเจนเป็นไปได้ < 0.05 การโจมตีน้อยที่สุด การบีบอัดของฉากรองรับ PTFE ด้วยสายรัดโลหะหรือคลิปสปริง มักทำให้เกิดช่องว่างในช่วง 0.05-0.20 มม. นี่คือสาเหตุที่ทำให้ PTFE มีปัญหาเฉพาะกับวัสดุที่มีรูพรุน เช่น ยางหรือวัสดุผสมเสริมแรงด้วยเส้นใย ปะเก็นยางและวัสดุ EPDM (เอทิลีนโพรพิลีนไดอีนโมโนเมอร์) สามารถซึมผ่านออกซิเจนได้ค่อนข้างมาก ปล่อยให้ผ่านไปทีละน้อยซึ่งบางครั้งอาจรักษาสภาวะที่ไม่โต้ตอบได้ PTFE มีความสามารถในการซึมผ่านของออกซิเจนประมาณ 0.5 × 10⁻¹³ cm³·cm/(cm²·s·Pa) และดังนั้นจึงเป็นอุปสรรคต่อออกซิเจนที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งหมายความว่าปริมาตรของรอยแยกจะถูกกำจัดอากาศออกจนหมด

ข้อมูลภาคสนามเกี่ยวกับการลดอายุการใช้งานของเครื่องทำน้ำอุ่นเชิงพาณิชย์
การวิเคราะห์สาเหตุการกระจายตัวของท่อความร้อนไฟฟ้าสแตนเลส 316 จำนวน 247 ท่อที่ส่งคืนจากถังเก็บน้ำร้อนเชิงพาณิชย์ (ความจุ 150–500 ลิตร ค่าที่ตั้งไว้ 60–80 องศา น้ำเทศบาลที่มีคลอไรด์ 40–200 ppm) เปิดเผยว่า 43% ของความล้มเหลวเริ่มต้นที่รอยแยกของตัวยึดรองรับ PTFE, 31% ที่ความร้อนจากการเชื่อม-โซนที่ได้รับผลกระทบ, 18% ที่ซีลพินขั้วต่อ และ 8% จากการเจาะรูทั่วไปบนส่วนปลอกตรง เวลามัธยฐานถึงความล้มเหลวสำหรับความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับรอยแยก PTFE- คือ 14 เดือนเทียบกับ 31 เดือนสำหรับความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อม- และ 46 เดือนสำหรับความล้มเหลวในการเจาะทั่วไป

เครื่องทำความร้อนที่ใช้ขายึด PTFE มีระยะเวลาความล้มเหลวที่สั้นกว่าในบริเวณที่มีน้ำอุ่นที่สุดใกล้กับก้นถัง น้ำที่ร้อนที่สุดจะแบ่งชั้นในส่วนล่างที่สามของถังเก็บ โดยมีอุณหภูมิปลอกอยู่ที่ 5-15 องศาเหนือค่าที่ตั้งไว้จำนวนมาก เนื่องจากผลกระทบจากความร้อนเฉพาะที่ ฉากยึด PTFE ในเครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิรวม 75 องศา และในโซน 80-85 องศา จะล้มเหลวโดยเฉลี่ย 8-11 เดือน

การตรวจสอบเชิงปริมาณของข้อมูลเคมีของน้ำจากการติดตั้งเครื่องทำความร้อนที่ล้มเหลวบ่งชี้ว่ามีความเชื่อมโยงสูงระหว่างความเข้มข้นของคลอไรด์และเวลากับความเสียหายของรอยแยกของ PTFE-:

< 30 ppm chloride: No PTFE crevice failures recorded in 60 months.

คลอไรด์ 30-80 ppm: ค่ามัธยฐานความล้มเหลว 28 เดือน (ช่วง 18-48 เดือน)

คลอไรด์ 80-150 ppm ค่ามัธยฐานความล้มเหลว 12 เดือน ช่วง 6-24 เดือน

คลอรีน 150-300 ppm ค่ามัธยฐานความล้มเหลว 4 เดือน ช่วง 2-8 เดือน

ความหมายในทางปฏิบัติคือขายึด PTFE เป็นจุดเชื่อมต่อที่อ่อนแอที่สุดในชุดเครื่องทำความร้อนในแหล่งน้ำในเขตเทศบาลหลายแห่ง (โดยปกติคือคลอไรด์ 20-100 ppm) แม้ว่าระดับคลอไรด์จำนวนมากจะแนะนำว่าเหล็กสแตนเลส 316 ควรจะเพียงพอสำหรับอายุการใช้งาน 5-10 ปีก็ตาม

การเปลี่ยนแปลงการออกแบบเพื่อขจัดปัญหารอยแยกของ PTFE
นอกเหนือจากการออกแบบถังแบบพื้นฐานแล้ว ยังมีแนวทางปฏิบัติทางเทคนิคอีกหลายประการที่สามารถนำมาใช้เพื่อลดการกัดกร่อนของรอยแยกใต้ฐานรองรับได้ วิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงสุดจะเปลี่ยนวัสดุของฉากยึด รูปทรงของการติดตั้ง หรือคุณภาพพื้นผิวของเปลือกที่จุดสัมผัส

ขั้นแรก เปลี่ยนฉากยึด PTFE ด้วยวัสดุที่ออกซิเจนซึมผ่านได้หรือมีรูพรุนทั้งหมด ในยางโฟม EPDM ส่วนรองรับจะมีเส้นทางการแพร่กระจายของออกซิเจนเปิดผ่านเมทริกซ์โพลีเมอร์ เพื่อรักษาศักยภาพเชิงบวกไว้บนพื้นผิวโลหะแม้ภายใต้การบีบอัด การทดสอบแผ่นโฟม PTFE เทียบกับแผ่นโฟม EPDM บนเปลือก 316 เปลือกในน้ำคลอไรด์ 150 ppm ที่ 75 องศา แสดงให้เห็นว่าเครื่องทำความร้อนที่ติดตั้ง EPDM- ไม่แสดงรอยเป็นรูพรุนหลังจาก 2000 ชั่วโมง แต่เครื่องทำความร้อนที่ติดตั้ง PTFE- พัฒนาหลุมขนาด 0.4 มม. ภายใน 500 ชั่วโมง

ประการที่สอง ออกแบบขายึดแข็งพร้อมช่องระบายน้ำใหม่ บล็อก PTFE จะไม่ต่อเนื่องกัน แต่จะมีแผ่นสัมผัสสามจุด- (แต่ละแผ่นกว้าง 3-5 มม.) โดยมีระยะห่างระหว่างกัน 5 มม. ความยาวของการสัมผัสฝักควรอยู่ที่ 20-40 มม. ช่องว่างช่วยให้น้ำและออกซิเจนไหลจำนวนมากไปยังพื้นที่ที่ติดอยู่ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการออกแบบโครงยึดแผ่นสามชั้นช่วยลดความลึกของการกัดกร่อนตามรอยแยกได้ 80% เมื่อเทียบกับโครงยึดแบบสัมผัสแข็ง

ประการที่สาม ระบุการเคลือบอะลูมิเนียมที่พ่นด้วยความร้อนบนปลอกที่บริเวณหน้าสัมผัสของตัวยึด นี่เป็นเพราะการเคลือบอะลูมิเนียม 0.1–0.2 มม. ซึ่งจะกัดกร่อนเป็นพิเศษและให้แอโนดแบบบูชายัญเพื่อปกป้องสเตนเลสสตีล 316 ที่อยู่เบื้องล่าง การทดสอบแบบเร่งในคลอไรด์ 200 ppm ที่ 80 องศา พบว่าจุดสัมผัสที่เคลือบด้วยอะลูมิเนียมไม่บุบสลาย โดยไม่มีรู 316 หลังจาก 3000 ชั่วโมง การควบคุมที่ไม่เคลือบผิวล้มเหลวภายใน 500-800 ชั่วโมง

ประการที่สี่ หากคุณมีขายึด PTFE อยู่แล้วซึ่งไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้ ให้วางกาวโพลีซัลไฟด์ที่มีอุณหภูมิสูงหรือปะเก็นซิลิโคนไว้ระหว่างขายึดและปลอก สารเคลือบหลุมร่องฟันจะปิดรอยแยกทั้งหมด ขจัดน้ำเข้าและเซลล์เติมอากาศส่วนต่าง แต่วิธีนี้ต้องใช้ความระมัดระวังและการตรวจสอบเป็นระยะ เนื่องจากสารเคลือบหลุมร่องฟันจะเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป และ-สร้างรอยแยกขึ้นใหม่

ภาษาข้อมูลจำเพาะสำหรับตัวรองรับฮีตเตอร์ ทนต่อการกัดกร่อน
เมื่อจัดหาท่อความร้อนไฟฟ้าสแตนเลส 316 สำหรับระบบจัดเก็บน้ำร้อนโดยใช้ PTFE หรือขายึดโพลีเมอร์อื่น ๆ วิศวกรควรรวมข้อกำหนดต่อไปนี้ในข้อกำหนดการจัดซื้อ สำหรับความเข้มข้นของคลอไรด์ในปริมาณมากมากกว่า 50 ppm วัสดุตัวยึดจะต้องเป็นโพลีเมอร์ออกซิเจน-ที่ซึมผ่านได้ (เช่น โฟม EPDM) หรือตัวยึดจะต้องมีช่องระบายน้ำที่มีความกว้างอย่างน้อย 2 มม. โดยมีระยะห่างไม่เกิน 10 มม. หรือพื้นผิวของปลอกที่จุดสัมผัสทุกจุดจะต้องได้รับการพ่นด้วยอลูมิเนียมหรือเคลือบสังกะสีที่มีความหนาขั้นต่ำ 0.1 มม. สำหรับถังที่คาดว่าจะมีระดับคลอไรด์มากกว่า 150 ppm แนะนำให้ถอดส่วนรองรับโพลีเมอร์ออกทั้งหมดโดยใช้ปลอกที่มีตัวกั้นแบบเชื่อมในตัว (โครงเหล็กสแตนเลส 316 ที่ยื่นออกมาจากท่อหลัก) หรืออัพเกรดวัสดุของปลอกเป็นซุปเปอร์-ออสเตนิติกอัลลอยด์ 254 SMO หรือเกรด 2 ไทเทเนียม การศึกษาภาคสนามจากระบบกักเก็บความร้อนโดยใช้การออกแบบตัวกั้นแบบเชื่อมช่วยให้อายุการใช้งานเครื่องทำความร้อนเฉลี่ยมากกว่า 8 ปีในน้ำที่ประกอบด้วย คลอไรด์ 200–300 ppm เทียบกับ 4–8 เดือนสำหรับการออกแบบที่ยึด PTFE- ในบริการเดียวกัน วิศวกรตระหนักดีว่าปัญหาไม่ใช่เหล็กสแตนเลส 316 แต่เป็นรอยแยกที่เกิดจากตัวยึด PTFE ที่ไม่มีอันตราย วิศวกรสามารถระบุการปรับเปลี่ยนการออกแบบที่ง่ายและต้นทุนต่ำเพื่อขจัดโหมดความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดในระบบเครื่องทำน้ำร้อนเชิงพาณิชย์