Como a resistência à corrosão-do cuproníquel 70-30 se compara ao PTFE na água do mar em alta velocidade?

A água salgada em movimento, especialmente quando carrega areia suspensa ou fragmentos de conchas, funciona como um jato de areia líquido dentro de um tubo trocador de calor. Dois materiais normalmente usados ​​no serviço de água do mar --cobre-níquel 70-30 e PTFE - respondem de maneira bem diferente a esse abuso mecânico. O desafio é mais do que apenas a resistência à corrosão. A verdadeira luta é contra a degradação devido ao impacto de partículas em alta velocidade.

O resultado pode parecer contraditório na comparação entre cuproníquel versus PTFE, corrosão por erosão e água do mar. Como o PTFE é quimicamente inerte à água do mar, as ligas de cobre ainda são metais eletroquimicamente ativos. Mas em circunstâncias de fluxo abrasivo de alta velocidade, a liga metálica mais resistente pode, às vezes, durar mais que o polímero mais macio, quando a erosão se torna o modo de falha dominante.

Erosão do sistema de água salgada-Corrosão
Erosão-a corrosão é um fenômeno mecânico e eletroquímico combinado.

Efeito da velocidade do fluido
À medida que a velocidade da água do mar aumenta,

A turbulência está piorando

Camadas limites finas

Aumento na energia de impacto de partículas

o desgaste da superfície acelera

Com sólidos suspensos, o material é fisicamente removido da parede do tubo pela corrente de fluido.

Areia como agente abrasivo
Partículas de areia fina podem causar:

Goivagem de superfície

Filme de tira

Microcorte

Fadiga de impacto repetida

A gravidade varia em:

Concentração de partículas

Tamanhos de partículas

Dureza das partículas

Forma da partícula

Velocidade do fluxo

As partículas de quartzo são altamente hostis devido à sua nitidez, dureza e geometria angular.

Como o Cuproníquel 70-30 se protege
A liga de cobre-níquel 70-30 é aproximadamente:

70% cobre

30% níquel

Há muito tempo esta liga tem sido utilizada em trocadores de calor marítimos devido à formação de uma cobertura protetora de óxido.

A camada de óxido-autocurativa
A liga se desenvolve quando exposta à água do mar:

Um revestimento de óxido cuproso aderindo firmemente

Este revestimento de óxido forma uma camada protetora contra danos adicionais.

O metal é coberto com uma camada de cerâmica-autocurativa. A única defesa do polímero é a sua escorregadia.

Resistência em alta velocidade de fluxo
Na água do mar limpa, o filme de óxido pode ser estável em velocidades da ordem de:

3-4 m/seg

Nesta faixa:

Remoção de filmes ainda restrita

Ataque de superfície ainda sob controle

A camada protetora está sempre sendo reformada

Se a película de óxido for ligeiramente perturbada pela abrasão, o metal exposto reoxida rapidamente e restabelece a proteção.

Dureza da Liga (Mecânica)
O material de base de cobre-níquel por baixo também fornece resiliência mecânica.

A liga é

Flexibilidade

Difícil

Resistente a rachaduras

Capacidade de absorção de energia de impacto

Esta resistência mecânica ajuda a prevenir danos catastróficos à superfície, mesmo sob condições de fluxo turbulento.

Reação de PTFE à água do mar abrasiva
A diferença com o PTFE é que ele não é um metal e não depende de proteção eletroquímica.

Inércia Química Completa PTFE é:

Resistência à corrosão à água do mar

Não suscetível ao ataque por cloreto

Resistente à bioincrustação química

Estável em água salgada.

Não há processo de corrosão e, portanto, não há película de óxido para quebrar.

Fricção mecânica pura
Para o PTFE, o processo de falha é praticamente exclusivamente mecânico.

A superfície do polímero pode ser submetida a:

arranhões

Erosão da superfície

Erosão de partículas

Perda progressiva de material

O PTFE é tão duro quanto uma unha humana e, portanto, em alta velocidade de fluxo, pode ser danificado por impactos repetidos com areia.

Limites de velocidade de PTFE
O PTFE não possui a dureza das ligas metálicas e sua velocidade operacional segura em serviços abrasivos é substancialmente menor.

Fluxo de água limpa versus fluxo carregado de areia
O PTFE funciona bem em água do mar limpa com condições de fluxo moderado.

No entanto, para serviço de lama arenosa:

Os limites práticos de velocidade podem ser reduzidos para cerca de 1-2 m/s

Fora deste intervalo:

As taxas de desgaste podem aumentar rapidamente

A superfície pode ficar mais fina.

Deterioração-da integridade estrutural a longo prazo

O limite permitido depende muito da concentração e agressividade dos sólidos em suspensão.

Significado das características das partículas
A erosão do PTFE é muito maior se as partículas forem:

Redondo não angular

Grande, não está bem

Resistente, não macio

Embora o lodo liso em baixas concentrações possa causar muito poucos danos, partículas pontiagudas de sílica podem dissolver o polímero de forma muito mais violenta.

Por que o Cuproníquel 70-30 às vezes é mais durável que o PTFE
Ao considerar meios de corrosão química pura, o PTFE geralmente é preferível.

Contudo, a comparação é diferente no caso de condições abrasivas da água do mar.

Inércia e dureza
70-30 vantagens Cu-Ni de

Maior dureza superficial

Autocura da proteção contra óxido-

Melhor resiliência ao corte de partículas

PTFE fornece:

Imunidade química total

Comportamento de superfícies de baixo atrito

Sem degradação eletro{0}}química

Mas a sua falha mais frequente no serviço erosivo é a suavidade.

A única proteção do PTFE é o atrito
A vantagem é que o PTFE tem um baixo coeficiente de atrito.

A superfície escorregadia pode:

Diminuir a adesão de partículas

Atrito deslizante reduzido

Dissipar alguma transferência de energia de impacto

Contudo, esta vantagem pode não ser suficiente para compensar a dureza reduzida do material sob forte fluxo abrasivo.

Aplicações típicas de cada material
A escolha ideal do material depende se a corrosão ou a erosão são o principal fator na aplicação.

Onde 70-30 Cuproníquel Brilha
O cuproníquel continua a ter um desempenho muito bom em:

condensadores para uso marítimo

Equipamento de refrigeração naval

Tubulação de água salgada de alto fluxo

Serviço de trocador tolerante à areia

especialmente quando a velocidade do fluxo é grande, mas a química é um tanto típica.

Onde o PTFE brilha
O PTFE se destaca nas seguintes áreas:

Misturas de água do mar com produtos químicos altamente corrosivos

Sistemas de cloração

Acidificação das águas marinhas

Sistemas de controle de bioincrustação

desde que os sólidos abrasivos em suspensão sejam limitados.

O impacto do design do sistema
O desempenho do material também depende fortemente do formato do trocador e do projeto hidráulico.

Controle de Fluxo
A redução da erosão pode incluir:

Diminuindo a velocidade do fluxo

Com cotovelos mais lisos

Eliminando mudanças abruptas de direção

Instalação de separador de areia

Estratégias de Design Híbrido
Alguns sistemas misturam materiais de forma deliberada:

PTFE em ambientes quimicamente agressivos

Cu-Ni em áreas de alto fluxo de abrasivos

Desta forma pode-se aproveitar seletivamente cada substância.

Resumo
A avaliação de 70-30 cuproníquel sobre PTFE em água do mar de alta velocidade é uma compensação clássica de engenharia entre inércia química versus durabilidade mecânica. O PTFE é totalmente resistente à corrosão pela água do mar, embora sua superfície relativamente macia possa ser altamente erodida quando submetida a fluxos rápidos-de areia. Na prática, sob tais condições, as velocidades são limitadas talvez a 1-2 m s-1.

Por outro lado, 70-30 cobre-níquel se protege com um revestimento de óxido cuproso robusto e autocurativo que pode tolerar velocidades de água salgada de 3 a 4 m/s em serviço limpo e continuar a se recuperar de danos abrasivos moderados. Este revestimento protetor, juntamente com a tenacidade e resiliência mecânica da liga, pode permitir uma vida útil mais longa em ambientes marítimos extremamente erosivos.

Assim, sob utilização severa de água do mar arenosa, a liga metálica mais difícil pode ser mais durável em geral do que o polímero quimicamente superior. No final das contas, a seleção de materiais para sistemas térmicos marítimos é uma batalha entre duas forças diferentes: a capacidade do metal de se curar e de suportar golpes físicos, e a capacidade do polímero de simplesmente ignorar a química.