¿Cómo se compara la resistencia a la erosión-corrosión del cuproníquel 70-30 con la del PTFE en agua de mar de alta velocidad?

El agua salada en movimiento, especialmente cuando transporta arena suspendida o fragmentos de conchas, funciona como un chorro de arena líquido dentro de un tubo intercambiador de calor. Dos materiales que se utilizan normalmente en servicios de agua de mar: --cobre-níquel 70-30 y PTFE responden de manera muy diferente a este abuso mecánico. El desafío es más que simplemente la resistencia a la corrosión. La verdadera lucha es contra la degradación debida al impacto de partículas a alta velocidad.

El resultado puede parecer contradictorio en la comparación de 70-30 cuproníquel versus PTFE, corrosión por erosión en agua de mar. Dado que el PTFE es químicamente inerte al agua de mar, las aleaciones de cobre siguen siendo metales electroquímicamente activos. Pero en circunstancias de flujo abrasivo de alta velocidad, la aleación metálica más resistente a veces puede durar más que el polímero más blando cuando la erosión se convierte en el modo de falla dominante.

Erosión del sistema de agua de mar-Corrosión
Erosión-la corrosión es un fenómeno mecánico y electroquímico combinado.

Efecto de la velocidad del fluido
A medida que aumenta la velocidad del agua de mar,

La turbulencia está empeorando

Capas límite delgadas

Aumento de la energía de impacto de partículas.

El desgaste de la superficie se acelera.

En el caso de los sólidos en suspensión, la corriente de fluido elimina físicamente el material de la pared del tubo.

Arena como agente abrasivo.
Las partículas de arena fina pueden provocar:

Ranurado de superficie

película de tira

microcorte

Fatiga por impacto repetida

La gravedad varía según:

Concentración de partículas

Tamaños de partículas

Dureza de las partículas

Forma de la partícula

Velocidad de la corriente

Las partículas de cuarzo son muy hostiles debido a su nitidez, dureza y geometría angular.

Cómo se protege el cuproníquel 70-30
70-30 aleación de cobre y níquel es aproximadamente:

70% cobre

30 % níquel

Durante mucho tiempo esta aleación se ha utilizado para intercambiadores de calor marítimos debido a la formación de una capa protectora de óxido.

La capa de óxido autocurativa
La aleación se desarrolla al exponerse al agua de mar:

Una capa de óxido cuproso que se adhiere firmemente

Esta capa de óxido forma una capa protectora contra daños mayores.

El metal está cubierto con una piel de cerámica -autocurativa. La única defensa del polímero es su resbaladiza.

Resistencia a alta velocidad de flujo
En agua de mar limpia, la película de óxido puede ser estable a velocidades del orden de:

3-4 m/seg

En este rango:

La retirada de la película sigue restringida

El ataque a la superficie aún está bajo control

La capa protectora siempre está en reformas.

Si la abrasión altera ligeramente la película de óxido, el metal expuesto se reoxida rápidamente y restablece la protección.

Dureza de la aleación (mecánica)
El material a base de cobre-níquel que se encuentra debajo también proporciona resistencia mecánica.

La aleación es

Flexibilidad

Difícil

Resistente a grietas

Capacidad de absorción de energía de impacto

Esta resistencia mecánica ayuda a prevenir daños catastróficos a la superficie incluso en condiciones de flujo turbulento.

Reacción del PTFE al agua de mar abrasiva
La diferencia con el PTFE es que no es un metal y no depende de protección electroquímica.

El PTFE de inercia química completa es:

Resistencia a la corrosión del agua de mar.

No susceptible al ataque de cloruro.

Resistente a la bioincrustación química

Estable en agua salada.

No hay ningún proceso de corrosión y por lo tanto no hay película de óxido que pueda romperse.

Puro frotamiento mecánico
En el caso del PTFE, el proceso de fallo es prácticamente exclusivamente mecánico.

La superficie del polímero puede estar sometida a:

raspaduras

Erosión de la superficie

Erosión de partículas

Pérdida progresiva de material.

El PTFE es tan duro como una uña humana, por lo que a alta velocidad de flujo puede dañarse por impactos repetidos con arena.

Límites de velocidad de PTFE
El PTFE no tiene la dureza de las aleaciones metálicas y su velocidad de operación segura en servicio abrasivo es sustancialmente menor.

Flujo de agua limpia frente a flujo cargado de arena
El PTFE funciona bien en agua de mar limpia con condiciones de flujo moderado.

Sin embargo, para el servicio de lodo arenoso:

Los límites prácticos de velocidad pueden reducirse a aproximadamente 1-2 m/s

Fuera de este rango:

Las tasas de desgaste pueden aumentar rápidamente

La superficie puede adelgazarse.

Deterioro-de la integridad estructural a largo plazo

El límite permitido depende en gran medida de la concentración y agresividad de los sólidos en suspensión.

Importancia de las características de las partículas
La erosión del PTFE es mucho mayor si las partículas son:

Redondo no angular

Grande, no bien

Duro no suave

Aunque el limo suave en bajas concentraciones puede causar muy poco daño, las partículas afiladas de sílice pueden disolver el polímero de manera mucho más violenta.

Por qué el cuproníquel 70-30 es a veces más duradero que el PTFE
Cuando se consideran medios de corrosión químicos puros, generalmente es preferible el PTFE.

Sin embargo, la comparación es diferente en el caso de condiciones abrasivas del agua de mar.

Inercia y dureza
70-30 Cu-Ni ventajas de

Mayor dureza superficial

Protección contra óxido autorreparable-

Mejor resistencia al corte de partículas.

PTFE proporciona:

Inmunidad química total

Comportamiento de superficies de baja fricción

Sin degradación electro-química

Pero su principal defecto en el servicio erosivo es la suavidad.

La única protección del PTFE es la fricción
La ventaja es que el PTFE tiene un bajo coeficiente de fricción.

La superficie resbaladiza podría:

Disminuir la adhesión de partículas.

Fricción de deslizamiento reducida

Disipar parte de la transferencia de energía de impacto.

Sin embargo, esta ventaja puede no ser suficiente para compensar la dureza reducida del material bajo un fuerte flujo abrasivo.

Aplicaciones típicas de cada material
La elección óptima del material depende de si la corrosión o la erosión es el factor principal en la aplicación.

Donde brilla el cuproníquel 70-30
El cuproníquel sigue funcionando muy bien en:

condensadores para uso marino

Equipos de refrigeración naval

Tuberías de agua salada de alto flujo

Servicio de intercambiador tolerante a la arena.

especialmente cuando la velocidad del flujo es grande pero la química es algo típica.

Donde brilla el PTFE
El PTFE se destaca en las siguientes áreas:

Mezclas de agua de mar de productos químicos altamente corrosivos

Sistemas de cloración

Acidificación de las aguas marinas

Sistemas de control de bioincrustaciones

siempre que se limiten los sólidos abrasivos en suspensión.

El impacto del diseño del sistema
El rendimiento del material también depende en gran medida de la forma del intercambiador y del diseño hidráulico.

Control de flujo
La reducción de la erosión puede incluir:

Disminución de la velocidad del flujo.

Con codos más suaves

Eliminar cambios bruscos de dirección

Instalación de separador de arena.

Estrategias de diseño híbrido
Algunos sistemas mezclan materiales de forma deliberada:

PTFE en entornos químicamente agresivos

Cu-Ni en áreas de abrasivos de alto flujo

De esta manera se puede aprovechar selectivamente cada sustancia.

Resumen
La evaluación de 70-30 cuproníquel sobre PTFE en agua de mar a alta velocidad es una solución clásica de ingeniería entre inercia química y durabilidad mecánica. El PTFE es totalmente resistente a la corrosión del agua de mar, aunque su superficie relativamente blanda puede erosionarse mucho cuando se somete a un flujo rápido-cargado de arena. En la práctica, en tales condiciones, las velocidades se limitan quizás a 1 o 2 m s-1.

Por el contrario, el cobre-níquel 70-30 se protege con una capa robusta y autorreparable de óxido cuproso que puede tolerar velocidades de agua salada de 3 a 4 m/s en servicio limpio y continuar recuperándose de daños abrasivos moderados. Esta capa protectora, junto con la dureza y resistencia mecánica de la aleación, puede permitir una vida útil más larga en entornos marítimos extremadamente erosivos.

Por lo tanto, bajo un uso severo de agua de mar arenosa, la aleación de metal más difícil puede ser más duradera en general que el polímero químicamente superior. Al final, la selección de materiales para los sistemas térmicos marítimos es una batalla entre dos puntos fuertes diferentes: la capacidad del metal para curarse a sí mismo y recibir golpes físicos, y la capacidad del polímero para simplemente ignorar la química.