מי ים-מהירים, במיוחד כאשר הם נושאים חול תלוי או שברי קונכיות, מתנהגים כמו מתז חול נוזלי בתוך צינור מחליף חום. שני חומרים שנבחרים בדרך כלל לשירות מי ים-70-30 נחושת-ניקל ו-PTFE מגיבים בצורה שונה מאוד לעונש המכאני הזה. האתגר הוא לא רק עמידות בפני קורוזיה. הקרב האמיתי הוא נגד שחיקה הנגרמת מפגיעת חלקיקים במהירות גבוהה.
בהשוואה של70-30 קופרוניקל לעומת PTFE שחיקת קורוזיה מי ים, התוצאה יכולה להיראות מנוגדת לאינטואיציה. PTFE חסין מבחינה כימית למי ים, בעוד סגסוגות נחושת נשארות מתכות פעילות אלקטרוכימית. עם זאת, בתנאי זרימה שוחקים,-גבוהים, הסגסוגת המתכתית הקשה יותר יכולה לפעמים להחזיק מעמד לאורך הפולימר הרך יותר מכיוון ששחיקה הופכת למנגנון הכשל הדומיננטי.
הבנת שחיקה-קורוזיה במערכות מי ים
שחיקה-קורוזיה היא תהליך מכני ואלקטרוכימי משולב.
תפקידה של מהירות הנוזל
ככל שמהירות מי הים עולה:
הסערה מתעצמת
שכבות גבול דקות
אנרגיית השפעת החלקיקים עולה
בלאי פני השטח מאיץ
כאשר קיימים מוצקים מרחפים, זרם הנוזל מסיר פיזית חומר מקיר הצינור.
חול כסוכן שוחקים
חלקיקי חול עדינים יכולים לייצר:
ניקור משטח
הפשטת סרטים
חיתוך מיקרו-
עייפות השפעה חוזרת ונשנית
החומרה תלויה ב:
ריכוז חלקיקים
גודל החלקיקים
קשיות חלקיקים
צורת חלקיקים
מהירות זרימה
חלקיקי קוורץ חדים הם אגרסיביים במיוחד בגלל הקשיות והגיאומטריה הזוויתית שלהם.
איך 70-30 קופרוניקל מגן על עצמו
70-30 סגסוגת נחושת-ניקל מכילה בערך:
70% נחושת
30% ניקל
סגסוגת זו שימשה זמן רב במחליפי חום ימיים מכיוון שהיא יוצרת סרט תחמוצת מגן עמיד.
The Self-Healing Oxide Film
בחשיפה למי ים, הסגסוגת מתפתחת:
שכבת תחמוצת קופרוס נצמדת בחוזקה
סרט תחמוצת זה פועל כמחסום מגן מפני התקפה נוספת.
המתכת לובשת עור קרמי-מתרפא בעצמו; ההגנה היחידה של הפולימר היא החלקלקות שלו.
התנגדות במהירות זרימה גבוהה
במי ים נקיים, סרט התחמוצת יכול להישאר יציב במהירויות של בערך:
3 עד 4 מ"ש
בטווח הזה:
הסרת הסרט נותרה מוגבלת
התקפת פני השטח נשארת בשליטה
שכבת ההגנה מתחדשת ללא הרף
אם סרט התחמוצת ניזוק מעט משחיקה, המתכת החשופה מתחמצת במהירות מחדש ומשיבה את ההגנה.
קשיחות מכנית של הסגסוגת
מצע הניקל-הנחושת הבסיסי תורם גם הוא חוסן מכני.
הסגסוגת נשארת:
רָקִיעַ
קָשֶׁה
עמיד בפני סדקים
מסוגל לספוג אנרגיית השפעה
חוסן מכני זה מסייע במניעת נזק קטסטרופלי למשטח אפילו בתנאי זרימה סוערים.
כיצד PTFE מגיב למי ים שוחקים
PTFE מתנהג באופן שונה מהותית מכיוון שהוא אינו מתכת ואינו מסתמך על הגנה אלקטרוכימית.
אינרטיות כימית מלאה
PTFE נשאר:
חסין בפני קורוזיה של מי ים
לא מושפע מהתקפת כלוריד
עמיד בפני כימיקלים ביולוגיים
יציב בסביבות מלוחות
אין סרט תחמוצת להתפרק מכיוון שלא מתרחש תהליך קורוזיה.
לבוש מכני טהור
עבור PTFE, מנגנון הכשל הופך כמעט לחלוטין למכני.
משטח הפולימר יכול לסבול:
שְׁחִיקָה
ניקוי פני השטח
שחיקת חלקיקים
אובדן חומרי מתקדם
ל-PTFE יש קשיות הדומה לציפורן אנושית, מה שהופך אותו לפגיע לפגיעות חוזרות ונשנות של חול תחת מהירות זרימה גבוהה.
מגבלות מהירות עבור PTFE
מכיוון ש-PTFE חסרה את הקשיות של סגסוגות מתכתיות, מהירות הפעולה הבטוחה שלו בשירות שוחקים נמוכה בהרבה.
מים נקיים מול חול-זרימה עמוסה
במי ים נקיים, PTFE יכול לסבול תנאי זרימה מתונים ביעילות.
עם זאת, בשירות תרחיץ חולי:
גבולות המהירות המעשיים עשויים לרדת לכ-1-2 מ'/שניה
מעבר לטווח הזה:
שיעורי הבלאי יכולים להאיץ במהירות
דילול פני השטח עלול להתרחש
השלמות המבנית-לטווח ארוך יורדת
הגבול המותר תלוי במידה רבה בריכוז ובאגרסיביות של מוצקים מרחפים.
חשיבות מאפייני החלקיקים
שחיקת PTFE הופכת הרבה יותר חמורה כאשר חלקיקים הם:
זוויתי ולא מעוגל
גדול ולא בסדר
קשה ולא רך
ריכוז נמוך של משקעים חלקים עלול לגרום נזק קטן יחסית, בעוד שחלקיקי סיליקה חדים יכולים לשחוק את הפולימר בצורה הרבה יותר אגרסיבית.
למה 70-30 קופרוניקל לפעמים מחזיק מעמד מ-PTFE
בסביבות קורוזיה כימיות גרידא, PTFE הוא בדרך כלל עדיף.
בתנאי מי ים שוחקים, לעומת זאת, ההשוואה משתנה.
קשיות מול אינרציה
70-30 Cu-Ni נהנים מ:
קשיות משטח גבוהה יותר
הגנת תחמוצת-מתקנת עצמית
עמידות גבוהה יותר לחיתוך חלקיקים
PTFE מציע:
חסינות כימית מלאה
התנהגות משטח חיכוך נמוך
אין פירוק אלקטרוכימי
אבל הרכות נותרה חולשתה הבסיסית בשירות שוחק.
חיכוך כהגנה היחידה של PTFE
מקדם החיכוך הנמוך של PTFE מספק תועלת מסוימת.
המשטח החלקלק יכול:
הפחת את הידבקות החלקיקים
חיכוך החלקה נמוך יותר
צמצם למינימום העברת אנרגיית השפעה
עם זאת, ייתכן שיתרון זה לא יפצה במלואו על הקשיות הנמוכה של החומר תחת זרימה שוחקת קשה.
יישומים אופייניים לכל חומר
בחירת החומר הטובה ביותר תלויה בשאלה האם קורוזיה או שחיקה שולטת ביישום.
איפה 70-30 קופרוניקל אקסל
קופרוניקל נשאר יעיל מאוד ב:
מעבים ימיים
מערכות קירור ימיות
צנרת מי ים-בזרימה גבוהה
שירות מחליף סובלני-לחול
במיוחד כאשר מהירות הזרימה גבוהה אך הכימיה נשארת יחסית קונבנציונלית.
איפה PTFE מצויין
PTFE מתפקד בצורה יוצאת דופן ב:
תערובות מי ים כימיות קורוזיביות במיוחד
מערכות הכלור
נחלים ימיים חומציים
מערכות טיפול ביולוגיות
בתנאי שמוצקים שוחקים מרחפים יישארו מוגבלים.
השפעת עיצוב המערכת
ביצועי החומר תלויים במידה רבה גם בגיאומטריית המחליף ובעיצוב הידראולי.
ניהול זרימה
הפחתת שחיקה עשויה לכלול:
הורדת מהירות הזרימה
שימוש במרפקים חלקים יותר
ביטול שינויי כיוונים חדים
התקנת מפרידי חול
גישות עיצוב היברידיות
מערכות מסוימות משלבות חומרים באופן אסטרטגי:
PTFE באזורים אגרסיביים מבחינה כימית
Cu-Ni באזורי זרימה גבוהה- שוחקים
זה מאפשר להשתמש בחוזקות של כל חומר באופן סלקטיבי.
מַסְקָנָה
ההשוואה בין 70-30 cupronickel ו-PTFE במי ים-במהירות גבוהה חושפת היסוד הנדסי קלאסי-בין אינרטיות כימית ועמידות מכנית. למרות ש-PTFE נותר חסין לחלוטין בפני קורוזיה של מי ים, פני השטח הרך יחסית שלו עלולים לסבול משחיקה משמעותית כאשר הוא נחשף לזרימה מהירה-עמוסת חול. בתנאים אלה, גבולות המהירות המעשיים עשויים לרדת לכ-1-2 מ"ש.
לעומת זאת, ניקל 70-30 נחושת-מגן על עצמו באמצעות סרט תחמוצת קופרוס עמיד, המתרפא מעצמו, שיכול לעמוד במהירויות מי ים של 3-4 מ' לשנייה בשירות נקי ולהמשיך להתאושש מנזק שחיקה בינוני. בשילוב עם הקשיחות והגמישות המכנית של הסגסוגת, סרט מגן זה יכול לספק חיי שירות ארוכים יותר בסביבות ימיות שחיקות במיוחד.
עבור שירות מי ים חולי חמור, סגסוגת המתכת הקשה יותר עשויה אפוא להתעלות על הפולימר המשובח מבחינה כימית במונחים של עמידות כללית. בחירת חומרים במערכות תרמיות ימיות הופכת בסופו של דבר לתחרות בין שתי צורות שונות של חוזק: יכולתה של המתכת לתקן ולהתנגד לנזק פיזי, ויכולת הפולימר להתעלם לחלוטין מהכימיה.
