Hoe verhoudt de erosie-corrosieweerstand van 70-30 kopernikkel zich tot PTFE in zeewater met hoge snelheid?

Bewegend zout water, vooral wanneer het zwevende zand- of schelpfragmenten vervoert, functioneert als een vloeibare zandstraler in een warmtewisselaarbuis. Twee materialen die doorgaans worden gebruikt in de zeewatervoorziening--70-30 koper-nikkel en PTFE reageren heel verschillend op dit mechanische misbruik. De uitdaging is meer dan alleen corrosiebestendigheid. De daadwerkelijke strijd is tegen degradatie als gevolg van deeltjesinslag met hoge snelheid.

Het resultaat kan tegenstrijdig lijken in de vergelijking van 70-30 kopernikkel versus PTFE-erosiecorrosie-zeewater. Omdat PTFE chemisch inert is voor het zeewater, terwijl koperlegeringen nog steeds elektrochemisch actieve metalen zijn. Maar onder abrasieve stromingsomstandigheden met hoge snelheid kan de hardere metaallegering soms langer meegaan dan het zachtere polymeer wanneer erosie de dominante faalwijze wordt.

Erosie van zeewatersystemen-Corrosie
Erosie-corrosie is een gecombineerd mechanisch en elektrochemisch fenomeen.

Effect van vloeistofsnelheid
Naarmate de snelheid van het zeewater toeneemt,

De turbulentie wordt steeds erger

Dunne grenslagen

Toename van de impactenergie van deeltjes

oppervlakteslijtage versnelt

Bij zwevende vaste stoffen wordt het materiaal door de vloeistofstroom fysiek van de buiswand verwijderd.

Zand als schuurmiddel
Deeltjes fijn zand kunnen veroorzaken:

Oppervlaktegutsen

Stripfilm

Microsnijden

Impactvermoeidheid herhaald

De ernst varieert afhankelijk van:

Concentratie van deeltjes

Deeltjesgroottes

Deeltjeshardheid

Vorm van het deeltje

Stroomsnelheid

Kwartsdeeltjes zijn zeer vijandig vanwege hun scherpte, hardheid en hoekige geometrie.

Hoe 70-30 kopernikkel zichzelf beschermt
70-30 koper-nikkellegering is ongeveer:

70% koper

30% nikkel

Deze legering wordt al lange tijd gebruikt voor maritieme warmtewisselaars vanwege de vorming van een beschermende oxidelaag.

De zelf-genezende oxidelaag
De legering ontwikkelt zich bij blootstelling aan zeewater:

Een koperoxidecoating die stevig hecht

Deze oxidecoating vormt een beschermlaag tegen verdere schade.

Het metaal is bedekt met een zelf-herstellende keramische huid. De enige verdediging van het polymeer is zijn gladheid.

Weerstand bij hoge stroomsnelheid
In schoon zeewater kan de oxidefilm stabiel zijn bij snelheden in de orde van:

3-4 m/sec

In dit bereik:

Filmverwijdering is nog steeds beperkt

Oppervlakteaanval nog steeds onder controle

De beschermlaag wordt voortdurend hervormd

Als de oxidefilm enigszins wordt verstoord door schuren, oxideert het blootgestelde metaal snel opnieuw en herstelt het de bescherming.

Taaiheid van legering (mechanisch)
Het koper-nikkelbasismateriaal eronder zorgt ook voor mechanische veerkracht.

De legering is

Flexibiliteit

Moeilijk

Scheurbestendig

Impact energie-absorptiecapaciteit

Deze mechanische sterkte helpt catastrofale oppervlakteschade te voorkomen, zelfs onder turbulente stromingsomstandigheden.

PTFE-reactie op schurend zeewater
Het verschil met PTFE is dat het geen metaal is en niet afhankelijk is van elektrochemische bescherming.

Volledige chemische inertie PTFE is:

Corrosiebestendigheid tegen zeewater

Niet gevoelig voor aantasting door chloride

Bestand tegen chemische biofouling

Stabiel in zout water.

Er vindt geen corrosieproces plaats en dus ook geen oxidefilm die kan worden afgebroken.

Puur mechanisch wrijven
Bij PTFE is het faalproces vrijwel uitsluitend mechanisch.

Het polymeeroppervlak kan worden blootgesteld aan:

schraapt

Erosie van het oppervlak

Erosie van deeltjes

Progressief materiaalverlies

PTFE is ongeveer zo hard als een menselijke vingernagel en kan daarom bij hoge stroomsnelheid beschadigd raken door herhaaldelijke botsingen met zand.

PTFE-snelheidslimieten
PTFE heeft niet de hardheid van metaallegeringen en de veilige werkingssnelheid bij schuurtoepassingen is aanzienlijk lager.

Schone waterstroom versus zandbeladen stroom
PTFE presteert goed in schoon zeewater met gematigde stromingsomstandigheden.

Voor de zandmestdienst geldt echter:

Praktische snelheidslimieten kunnen worden teruggebracht tot ongeveer 1-2 m/s

Buiten dit bereik:

De slijtage kan snel toenemen

Het oppervlak kan dunner zijn.

Verslechtering van de structurele integriteit op lange- termijn

De toegestane limiet is sterk afhankelijk van de concentratie en agressiviteit van zwevende vaste stoffen.

Betekenis van deeltjeskenmerken
De erosie van PTFE is veel groter als deeltjes:

Rond, niet hoekig

Groot, niet fijn

Stoer, niet zacht

Hoewel glad slib bij lage concentraties zeer weinig schade kan veroorzaken, kunnen scherpe silicadeeltjes het polymeer veel krachtiger oplossen.

Waarom 70-30 kopernikkel soms duurzamer is dan PTFE
Wanneer zuivere chemische corrosiemedia worden overwogen, verdient PTFE over het algemeen de voorkeur.

De vergelijking is echter anders in het geval van schurende zeewateromstandigheden.

Inertheid en hardheid
70-30 Cu-Ni-voordelen van

Verhoogde oppervlaktehardheid

Zelfherstellende oxidebescherming-

Betere veerkracht tegen deeltjessnijden

PTFE biedt:

Totale chemische immuniteit

Gedrag van oppervlakken met lage wrijving

Geen elektro-chemische afbraak

Maar het grootste minpunt van erosieve dienstbaarheid is zachtheid.

De enige bescherming van PTFE is wrijving
Het voordeel is dat PTFE een lage wrijvingscoëfficiënt heeft.

Het gladde oppervlak kan:

Verminder de adhesie van deeltjes

Verminderde glijwrijving

Verdrijf een deel van de overdracht van impactenergie

Dit voordeel is echter mogelijk niet voldoende om de verminderde hardheid van het materiaal onder sterke schuurstroom te compenseren.

Typische toepassingen van elk materiaal
De optimale materiaalkeuze hangt af van de vraag of corrosie of erosie de belangrijkste factor is bij de toepassing.

Waar 70-30 kopernikkel schijnt
Cupronickel blijft zeer goed presteren in:

condensors voor maritiem gebruik

Koelapparatuur, marine

Zoutwaterleidingen met hoge doorstroming

Zandtolerante wisselaarservice

vooral als de stroomsnelheid groot is, maar de chemie enigszins typisch is.

Waar PTFE schijnt
PTFE blinkt uit op de volgende gebieden:

Zeewatermengsels van zeer corrosieve chemicaliën

Chloreersystemen

Verzuring van mariene wateren

Controlesystemen voor biofouling

op voorwaarde dat de zwevende schurende vaste stoffen beperkt zijn.

De impact van systeemontwerp
De materiaalprestaties zijn ook sterk afhankelijk van de vorm van de wisselaar en het hydraulisch ontwerp.

Controle van de stroom
Het verminderen van erosie kan het volgende omvatten:

Het verlagen van de stroomsnelheid

Met gladdere ellebogen

Het elimineren van abrupte richtingsveranderingen

Zandafscheider installatie

Hybride ontwerpstrategieën
Sommige systemen mengen materialen op een bewuste manier:

PTFE in chemisch agressieve omgevingen

Cu-Ni in gebieden met hoge stroming van schuurmiddelen

Op deze manier kan men selectief profiteren van elke stof.

Samenvatting
De evaluatie van 70-30 kopernikkel ten opzichte van PTFE in zeewater met hoge snelheid is een klassieke technische afweging van chemische inertheid versus mechanische duurzaamheid. PTFE is volledig bestand tegen corrosie door zeewater, hoewel het relatief zachte oppervlak ervan sterk kan worden geërodeerd als het wordt blootgesteld aan snel-bewegende, met zand beladen stroming. In de praktijk zijn de snelheden onder dergelijke omstandigheden beperkt tot misschien 1-2 ms-1.

Omgekeerd beschermt 70-30 koper-nikkel zichzelf met een robuuste, zelfherstellende koperoxidecoating die zoutwatersnelheden van 3-4 m/s kan verdragen bij schoon gebruik en zich blijft herstellen van matige schurende schade. Deze beschermende coating, samen met de taaiheid en mechanische veerkracht van de legering, kan een langere levensduur mogelijk maken in extreem erosieve maritieme omgevingen.

Bij zwaar gebruik van zandig zeewater kan de moeilijkere metaallegering dus in het algemeen duurzamer zijn dan het chemisch superieure polymeer. Uiteindelijk is de materiaalkeuze voor maritieme thermische systemen een strijd tussen twee verschillende sterke punten: het vermogen van het metaal om zichzelf te genezen en een fysieke klap te verdragen, en het vermogen van het polymeer om eenvoudigweg de chemie te negeren.