Часто встречающиеся проблемы при эксплуатации PTFE-футерованных трубопроводов и их возможные причины 

Когда фторопластовый компонент выходит из строя, причинами обычно являются: конструктивные недостатки, ошибка в выборе материала, производственные дефекты, а также превышение фактических условий эксплуатации над расчётными параметрами компонента.

Поскольку рассматриваемые нами PTFE-футерованные трубопроводы уже имеют совершенные стандарты, ошибки в проектировании на уровне типоразмеров встречаются редко. PTFE, PFA и FEP являются в настоящее время наиболее коррозионностойкими пластиками. За исключением расплавленных щелочных металлов и газообразного фтора при высоких температурах и давлениях, крайне мало веществ, способных вступать в реакцию с этими тремя фторопластами. Поэтому ошибки в выборе материала, приводящие к химическому повреждению коррозией в процессе эксплуатации, также встречаются крайне редко.

Таким образом, далее мы в основном обсудим производственные дефекты. В другой статье мы рассмотрим пределы эксплуатационных условий для PTFE-футерованных трубопроводов и методы определения этих пределов.

Производственные дефекты

Сырьём для PTFE-компонентов является гранулированный порошок PTFE, производимый химическими заводами. Поскольку PTFE не плавится, в процессе производства его формуют под давлением, а затем спекают для соединения частиц порошка и образования кристаллической структуры. В процессе изготовления метод прессования и количество примесей между частицами порошка определяют наличие макродефектов, а количество микропор между спечёнными частицами и степень кристаллизации, достигнутая при спекании, определяют наличие микродефектов.

Макродефекты

Наиболее очевидные дефекты, то есть макродефекты, включают видимые невооружённым глазом внутренние пузырьки, трещины, примеси и неравномерную толщину стенки. Они в первую очередь приводят к отказу компонента. Такие дефекты могут быть обнаружены путём визуального контроля пластика до и после спекания. Любые мельчайшие примеси, например частицы кожи, ржавчина и т.д., обугливаются при чрезвычайно высоких температурах спекания PTFE, образуя заметные чёрные пятна. Некоторые заготовки имеют микротрещины до формования; трещины, невидимые невооружённым глазом, могут быстро расширяться в процессе спекания, что приводит к прямому разрушению детали.

Часть пластиковых деталей, содержащих пузырьки, локальную неравномерность толщины стенки или мелкие чёрные пятна от примесей, после обжига могут не пропускать воду на поверхности, но при жёстких условиях эксплуатации они повреждаются очень легко.

Макродефекты очень легко обнаружить, для этого не требуется специального оборудования. Однако простое выбраковывание деталей с макродефектами не позволяет производить качественную продукцию. Чтобы предотвратить возникновение таких дефектов в процессе производства, необходимо разработать и внедрить технологический процесс, который не производит дефектную продукцию. Это включает в себя чистоту сырья, чистоту производственного цеха, конструкцию инструментов, используемых в процессе прессования, а также контроль каждой операции на всех этапах. Контроль после спекания служит лишь вспомогательным средством контроля качества.

Следует отметить, что лёгкость обнаружения макродефектов после спекания обеспечивается только в том случае, если PTFE-компонент спекается отдельно от металлического корпуса. Многие производители прессуют порошок PTFE непосредственно на окончательный металлический корпус и спекают их вместе. Это делает невозможным обнаружение даже самых очевидных макродефектов после завершения спекания. Более того, совместное спекание и охлаждение с металлом само по себе наносит ущерб физическим свойствам PTFE-компонента.

Микродефекты

Количество микропор

Одним из микродефектов является чрезмерное количество микропор. Недостаточное давление при формовании заготовки приводит к увеличению количества микропор. Избыточное количество микропор вызывает резкое снижение всех механических свойств: значительное ухудшение прочности на разрыв и относительного удлинения при разрыве. При незначительном повышении рабочей температуры под давлением такие детали становятся крайне хрупкими. Когда среда, протекающая по трубопроводу, является агрессивной или содержит малые молекулы газов, эти газы легко проникают через микропоры, накапливаются в пластике и быстро разрушают трубопровод.

Кристалличность

Температура и время выдержки в процессе спекания влияют на степень кристалличности, которую без специального оборудования трудно точно измерить. Чрезмерная кристалличность делает материал хрупким, а недостаточная кристалличность снижает жёсткость материала, что может привести к деформации при высоких температурах и давлениях. Кристалличность необходимо поддерживать в определённом диапазоне, чтобы гарантировать, что физические свойства PTFE соответствуют требованиям реальных условий эксплуатации.

Места с макро- или микродефектами обычно являются точками зарождения разрушения трубопровода. Даже если дефект не приводит к сквозному повреждению в процессе производства или испытаний, эффективная толщина антикоррозионного PTFE-слоя значительно снижается из-за наличия дефекта внутри стенки, а физические свойства, такие как предел прочности на разрыв и относительное удлинение при разрыве, также заметно снижаются. Эти дефекты проявляются именно в тяжёлых условиях эксплуатации, перечисленных ниже.

Сложные условия эксплуатации

Высокая температура и высокое давление

При повышении температуры в рабочих условиях механическая прочность PTFE постепенно снижается, и давление в трубопроводе приводит к тому, что дефектные участки склонны к растрескиванию. Таким образом, чем выше температура и давление, тем ниже допустимый уровень дефектов в PTFE-футерованных трубопроводах при производстве.

Высокая температура и полный вакуум

Условия полного вакуума, особенно при высоких температурах, предъявляют к PTFE-футерованным трубопроводам более жёсткие требования, чем обычные условия высокого давления и температуры. При воздействии положительного давления металлический корпус за пределами PTFE воспринимает большую часть нагрузки, поэтому слой PTFE должен выдерживать только сжимающие усилия. Однако при отрицательном давлении внутри трубопровода все усилия прилагаются непосредственно к самому PTFE-пластику, что является более серьёзным испытанием для его механической прочности, такой как предел прочности на разрыв и относительное удлинение после спекания. Эти механические свойства зависят от наличия микроскопических дефектов, количества микропор, процесса спекания и характеристик сырья, и требуют тщательного расчёта и экспериментальной проверки при разработке технологического процесса.

Термоциклирование

Коэффициент теплового расширения PTFE в 10 раз выше, чем у углеродистой стали, которая обычно используется в качестве металлического корпуса трубопровода. Это означает, что при повышении температуры внутри трубопровода PTFE постоянно расширяется, и на более длинных участках трубопровода разница в удлинении между PTFE и сталью становится более значительной. В результате, в местах соединения одной трубы с другой, если позволить PTFE свободно расширяться и отделяться от металла, пластик на уплотнительной поверхности может растрескаться под действием давления уплотнения без поддержки со стороны металла. Поэтому в PTFE-футерованных трубопроводах пластиковая часть PTFE должна плотно прилегать к внутренней стенке металла, чтобы ограничить её осевое расширение. Это возможно только в том случае, если PTFE и металл спекаются раздельно. Разумеется, это также требует высоких механических свойств самого PTFE-компонента. Высококачественные PTFE-футерованные трубопроводы способны сохранять свою целостность при многократных термоциклах.

Высокая проницаемость

Когда среда, протекающая по трубопроводу, обладает высокой коррозионной активностью и возникает явление проникновения, проникающие газы могут конденсироваться и накапливаться в полостях, образованных дефектами, что приводит к быстрому разрушению трубопровода. В идеальном трубопроводе без дефектов незначительное количество проникающих газов проходит через всю толщину PTFE и в конечном итоге удаляется через вентиляционные отверстия в металлическом корпусе. Эти газы с малыми молекулами, при конденсации, легко образуют сильнокоррозионные жидкости; некоторые из них могут даже образовывать твёрдые полимеры. Жидкости или твёрдые вещества могут накапливаться внутри дефектного PTFE, вызывая вздутие и расширение, что приводит к повреждению PTFE-футеровки и коррозии металлического корпуса. Поэтому необходимо предусмотреть отверстия для отвода газов. Все трубопроводы, производимые компанией Тэнай, оснащены вентиляционными отверстиями. Кроме того, можно дополнительно установить запатентованные компанией Тэнай отводные трубки и другие средства дополнительной защиты для предотвращения коррозии металлического корпуса вокруг вентиляционных отверстий конденсатом.

Для указанных выше сложных условий эксплуатации продукция компании Тэнай прошла строгие типовые испытания, и каждое изделие перед отгрузкой проходит жёсткие неразрушающие испытания для обеспечения качества продукции.