Каково влияние растворенного в воде газообразного хлора на твердость поверхности нагревателя PFA через 1000 часов?

В воде газообразный хлор (Cl₂) является очень сильным окислителем и используется во многих системах дезинфекции, бассейнах и муниципальных водоочистных сооружениях. Со временем хлор разрушит поверхности PFA. В нормальных количествах (1-10 частей на миллион) растворенный газообразный хлор вызывает прогрессивное изменение поверхности, тогда как растворы гипохлорита (отбеливатели) вызывают быстрое разложение. Твердость поверхности ПФА повышается на 5-10 единиц по Шору D (с 65-68 до 70-75) после 1000 часов непрерывного воздействия при 40 градусах (средняя температура бассейна) с 5 ppm растворенного Cl 2 .. Поверхность становится более хрупкой, удлинение при разрыве снижается с 300 % до 150-200 %. Увеличение твердости ограничивается наружным слоем 50–150 мкм, объемный материал остается неизменным. Действие ускоряется при более высоких температурах (от 60 до 80 градусов) или более высоких концентрациях хлора (от 20 до 50 частей на миллион), и растрескивание поверхности может произойти в течение 500 часов.

Механизм воздействия хлора PFA
В воде растворенный газообразный хлор гидролизуется с образованием хлорноватистой кислоты (HOCl) и соляной кислоты (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. «HOCl и HCl враждебны. HOCl является сильным окислителем, который экстрагирует атомы водорода с концов цепи PFA (хотя в PFA относительно мало атомов водорода, есть некоторые остаточные концевые группы -CF2H). Фтор замещается кислородом, образуя фторидную карбонильную (-COF) и карбоксильную (-COOH) группы. Эти полярные группы увеличивают поверхностную энергию (с 18-20 мН/м до 25-35 мН/м), что парадоксальным образом приводит к уменьшению угла смачивания водой и, следовательно, может повысить смачиваемость. Что еще более важно, окисленный поверхностный слой сшивается и затвердевает. Увеличение твердости связано с увеличением кристалличности поверхностного слоя (с 45% до 55–60%), поскольку преимущественно нацеливаются и реорганизуются аморфные области.

Эта реакция зависит от температуры. 25 градусов. Через 1000 часов при 5 ppm Cl2 твердость увеличивается на 2–4 единицы по Шору D. При 40 град. оно составляет 5–10 ед. При 60 градусах это 10-15 единиц. Образуются поверхностные микротрещины. PFA в хлорной воде с концентрацией 5 частей на миллион при температуре 80 градусов выходит из строя через 200-500 часов из-за сильного растрескивания поверхности и охрупчивания. Таким образом, нагреватели PFA в системах дезинфекции хлором следует использовать при температуре ниже 50 градусов.

Изменение твердости поверхности через 1000 ч.
Температура (градусы) Концентрация хлора (ppm) Твердость, начальная (по Шору D) Твердость через 1000 часов (по Шору D) Увеличение (по Шору D) Внешний вид поверхности Удлинение при разрыве Сохранение (%)
0 (контроль) 40 66 66 0 Гладкая, блестящая 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Слегка матовая 90–95 % 5 40 66 70-73 4-7 Тусклая, слегка шероховатая 70–80 %
10 40 66 72-75 6-9 Тусклая, заметная микро-шероховатость 60-70 %
5 25 66 68–70 2–4 Небольшое потускнение 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Тусклое, мелкое растрескивание 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Микротрещины, видимые при увеличении 10× 40–60 %
5 80 66 Н/Д (не удалось) Н/Д Растрескивание поверхности, охрупчивание<20% 20 40 66 74-78 8-12 Crazing, white surface layer 50-65% 50 40 66 78-82 12-16 Cracking, surface powdering 30-50%
Практические последствия эксплуатации обогревателя
Для нагревателей плавательных бассейнов (25–30 градусов, 1–5 частей на миллион Cl2) увеличение твердости после 1000 часов было небольшим (2–5 единиц по Шору D). Нагреватель все еще работает, и охрупчивание поверхности не вызывает растрескивания во время нормального термоциклирования (градус ΔT=10-20). Продолжительность жизни 5-10 лет. Для городских систем очистки воды с температурой 40–50 градусов повышение жесткости существенно (5–10 по Шору D). Поверхность утеплителя тускнеет и теряет эластичность. Через 2-3 года термоциклирования (ежедневное включение/выключение) могут появиться мелкие поверхностные трещины. Замену рекомендуется через 3-5 лет.

PFA не рекомендуется использовать для промышленной дезинфекции хлора при высоких температурах (50-80 градусов) независимо от его концентрации. Сочетание высокой температуры и хлора приводит к быстрому разрушению поверхности и растрескиванию и, в конечном итоге, к проникновению в металлическое ядро. Другими материалами, предназначенными для работы с хлором при высоких температурах, являются титан (пассивирует в хлорной воде) или ECTFE (Halar), который превосходит PFA по устойчивости к хлору.

Оценка состояния Проверка твердости поверхности
Для нагревателей PFA, работающих с хлором, ежегодные испытания на твердость поверхности позволяют оценить остаточный срок службы. Используйте портативный твердомер по Шору D (ASTM D2240). Измерьте в трех точках (внизу, посередине, вверху) на погруженной части. Если твердость увеличилась на 5-10 единиц по сравнению с исходным значением (66–68), это указывает на умеренную деградацию. У Хитера, скорее всего, останется еще 2-3 года. Увеличение твердости на 10–15 единиц указывает на значительную деградацию, и замену следует произвести в течение 12 месяцев. При повышении твердости более чем на 15 единиц или появлении явных поверхностных трещин требуется замена. Связь между оставшимся сроком службы и увеличением твердости является эмпирической. Однако он надежен для поврежденных хлором PFA.

Если нагреватели уже демонстрируют повышение твердости, по возможности уменьшите рабочую температуру. Скорость деградации снижается вдвое при понижении на каждые 5 градусов (поведение Аррениуса). Нагреватель на 50 градусов с увеличением твердости на 10 единиц при понижении до 40 градусов удваивает оставшийся срок службы до 4 лет.

Выводы: твердость увеличилась на 5–10 единиц после 1000 часов работы при 40 градусах/5 ppm Cl2.
The surface hardness of PFA heater increased by 5–10 Shore D units (from 66–68 to 70–75) after exposure to dissolved chlorine gas (5 ppm) in water at 40°C for 1,000 hours. The surface was embrittled, the elongation at break decreased from 300 % to 70-80 %. The degradation is confined to the outer 50–150 ?m layer and does not cause immediate failure, but it weakens the resistance of the heater to thermal cycling and mechanical stress. For normal pool and municipal water disinfection (25 to 40 deg C, 1 to 5 ppm), PFA heaters have adequate 5-10 year life. PFA is not recommended for industrial usage above 50°C. Annual tests of Shore D hardness offer an easy, non-destructive way to measure degradation and forecast replacement dates. Replacement of heater required if hardness increases >15 единиц или любые видимые поверхностные трещины. Как контролировать твердость, поддерживать температуру и заменять, прежде чем он выйдет из строя Хлор и высокая температура — враги PFA. Управляйте обоими, и ваш обогреватель выживет.