Границы использования тантала
Как не раз показывал производственный опыт заказчиков:
Ремонтные заглушки из тантала, используемые в эмалированных аппаратах, имеют ограниченный срок службы, не смотря на их регулярный контроль. В чём же причина? И что можно предпринять? Эта статья ознакомит Вас с возможными решениями.
Рис. 1: Дефект танталовой заглушки, используемой для ремонта в эмалированном аппарате
Границы тантала, как материала для ремонта эмалированных аппаратов
Тантал – это «материал с универсальной химической стойкостью»; по крайней мере, так предполагается. На самом же деле тантал отнюдь не обладает «универсальной» стойкостью и подходит лишь частично для использования в эмалированных аппаратах [1]:
Поскольку тантал обладает стойкостью ко всем возможным химическим веществам, этот материал часто сравнивают с драгоценными металлами. Со стороны термодинамики, тантал является неблагородным металлом, хотя может образовывать устойчивые соединения с различными элементами. На воздухе на тантале образуется очень плотный оксидный слой (Ta2O5), который защищает основной материал от химического воздействия. Благодаря этой оксидной плёнке тантал становится коррозионно-стойким.
Если же такой неблагородный металл, как тантал, вступит в контакт с благородным металлом, например, платиной, химическая реакция не заставит себя ждать. Именно поэтому при высоких рабочих температурах необходимо учитывать реакцию тантала по отношению к другим конструкционным материалам.
При комнатной температуре тантал не обладает стойкостью только к нескольким неорганическим веществам: концентрированная серная кислота, азотная кислота, фтор, фтористый водород, плавиковая кислота, пероксид натрия и кислые растворы, которые содержат ионы фтора. Щелочные растворы и расплавы гидроксидов натрия и калия оказывают коррозионное воздействие на тантал. В случае коррозионного воздействия водород попадает в кристаллическую решётку тантала и тот становится хрупким. При возрастании температуры коррозионная стойкость тантала постепенно ослабевает.
Критическим для коррозионной стойкости тантала является то, что она становится хуже в случае его контакта с растворами, даже если тантал обладает стойкостью к каждому компоненту раствора по отдельности.
Термическое расширение тантала
Линейный коэффициент термического расширения тантала составляет около 6,4*10-6 м/K, что составляет примерно половину от коэффициента эмалированной стали. В случае воздействия переменных температур на комплектующие с ремонтными элементами из тантала, между ремонтным элементом из тантала и эмалированной деталью возникают относительные движения. Впоследствии эти относительные движения приводят к нарушению герметичности уплотнения между танталом и эмалированной деталью.
Устойчивость тантала
Предел растяжения тантала находится около 120-200 МПа, что составляет примерно 40-70% от предела растяжения листовой стали (стандартно P275 NH), которая используется для изготовления эмалированных аппаратов. Предел прочности тантала составляет 225-280 МПа, что также значительно ниже предела прочности листовой стали (390-510 МПа) [2]. Поэтому резьбовые заглушки из тантала выдерживают минимум нагрузки; перетягивание танталовых болтов сразу же приводит к потере предварительной затяжки, деформации резьбы и прижатию уплотнения.
Способность тантала к деформации
Тантал и сплавы тантала хорошо поддаются деформации, что с одной стороны, очень выгодно и позволяет придать ремонтным заглушкам из тантала форму стенки аппарата. С другой стороны, это большой недостаток: в виду высокой пластичности использование тантала для изготовления комплектующих, поддающихся нагрузке, таких как болты и гайки, становится проблематичным. Например, болты из тантала, которые используются для закрепления ремонтных пластин из тантала, можно затягивать с очень низким моментом затяжки, иначе они растягиваются и повреждаются.
Ремонтные пластины из тантала и вакуум
Рис. 2: Обзор эмалированных ремонтных пластин фирмы THALETEC (Рис. На стр. 2-3 кат. № K097)
Использование ремонтных пластин или листов из тантала для ремонта больших внутренних поверхностей реактора очень ограничено. Особенно в тех случаях, когда в аппарате в рабочих условиях или же во время слива продукта бывает пониженное давление. Поскольку за танталовой пластиной давление атмосферное, произойдёт деформация.
Пластина деформируется в соотв. с нагрузкой вследствие сжатия уплотнения и внешнего пониженного давления: край пластины поднимается куполом вверх против направления действия силы сжатия уплотнения. Внутренняя поверхность пластины изгибается внутрь под действием пониженного давления и деформируется по отношению к внутренней стенке аппарата. Параллельно может произойти относительное смещение пластины в области болтового соединения, что постепенно приведёт к ослаблению усилия предварительной затяжки болта и сжатию уплотнения. Такая нагрузка и последующая деформация приведёт к негерметичности и выходу ремонтного элемента из строя.
Решение: Эмалированные ремонтные пластины
THALETEC EmRep (каталог № K097) – это ряд эмалированных пластин для ремонта эмалированных аппаратов и их комплектующих.
Фирма THАLATEC предлагает ремонтные пластины для небольших повреждений, для которых прежде использовались отдельные болты из тантала, а также ремонтные пластины EmPads, изготовленные методом печати в 3D размером до 700×600 мм, которые используются для ремонта повреждений большей площади.
На рис.3 показана большая ремонтная пластина EmPad: размеры этой пластины 700×400 мм, установлена в аппарате с мешалкой стороннего производителя объёмом 20.000 л.
Рис. 3: Эмалированная пластина EmPad больших размеров в эмалированном аппарате стороннего производителя объёмом 20.000 л
Поскольку эмалированные пластины EmPads изготовлены из эмалированной стали, они обладают теми же свойствами, что и все остальные эмалированные комплектующие. Это механическая стабильность, стойкость к износу благодаря эмали Abrisist фирмы THALETEC, устойчивость к повышенному давлению и вакууму и универсальная химическая стойкость наравне с аппаратом. Даже в критических рабочих условия эмалированные пластины EmPads являются надёжным и долговечным методом ремонта, что было доказано в рабочих условиях наших заказчиков (здесь приводится пример).
Эмалированные ремонтные пластины успешно используются на протяжении многих лет. Если у Вас есть аппарат или комплектующие с повреждениями, и Вы не знаете, как их отремонтировать, фирма THALETEC поможет найти Вам решение проблемы!
В рамках обучающих семинаров, которые регулярно проходят на заводе THALETEC, Вы сможете получить больше информации о возможностях ремонта и обслуживания. Актуальная информация по предстоящим семинарам высылается по запросу.