Radijacijsko okruženje
Postrojenja za preradu nuklearnog goriva, postrojenja za proizvodnju radioizotopa i određene operacije medicinske sterilizacije izlažu procesnu opremu jonizujućem zračenju. Izmjenjivači topline u ovim sredinama moraju izdržati ne samo hemijske izazove dušične kiseline i drugih procesnih fluida, već i kumulativne efekte gama zračenja tokom godina rada.
Ukupna apsorbovana doza za izmjenjivač topline u nuklearnom postrojenju srednje{0}}aktivnosti može doseći 10⁵ do 10⁶ Grey (10-100 Mrad) tokom vijeka trajanja od 10- godina. Na ovim nivoima doze, polimeri prolaze kroz značajne molekularne promjene – cijepanje lanca ili umrežavanje – koje mijenjaju njihova mehanička svojstva.
ETFE (etilen-tetrafluoroetilen kopolimer) se ponekad smatra za rad radijacije jer se vjeruje da njegova djelomično fluorirana struktura nudi bolju otpornost na zračenje nego potpuno fluorirani PTFE. Ovo vjerovanje je tačno. Ali veličina razlike-i da li je to važno za servis izmjenjivača topline-zahtijeva ispitivanje.
Razlika u hemiji zračenja
Jonizujuće zračenje stupa u interakciju s polimerima odlažući energiju duž polimernog lanca. Energija razbija hemijske veze, stvarajući slobodne radikale. Sudbina ovih radikala određuje hoće li se polimer degradirati (cijepanje lanca) ili ojačati (poprečno povezivanje).
U PTFE-u, radikali izazvani zračenjem{0}} uglavnom prolaze kroz lanac cijepanja. C-C kičma se lomi. Molekularna težina se smanjuje. Skraćeni lanci imaju smanjenu mehaničku čvrstoću. Učinak je kumulativan i nepovratan. Pri dozi od 10⁴ Gy (1 Mrad), promjene su mjerljive, ali mala-zatezna čvrstoća može pasti za 5-10%. Na 10⁵ Gy (10 Mrad), gubitak čvrstoće je značajan - 30-50%. Na 10⁶ Gy (100 Mrad), PTFE postaje krhak i mehanički beskorisan.
U ETFE, jedinice etilenskog komonomera (-CH₂-CH₂-) u polimernoj kičmi mijenjaju odgovor na zračenje. C-H veze u jedinicama etilena su podložnije formiranju radikala nego veze C-F, ali rezultirajući radikali imaju tendenciju umrežavanja radije nego da se podvrgnu cijepanju lanca. Umrežavanje povećava molekularnu težinu i može poboljšati određena mehanička svojstva. ETFE zadržava korisna mehanička svojstva za veće doze zračenja od PTFE.
| Parametar otpornosti na zračenje | PTFE | ETFE |
|---|---|---|
| Dominantan efekat zračenja | Prekidanje lanca (degradacija) | umrežavanje (stabilizacija) |
| Doza pri kojoj počinje promjena mjerljivog svojstva (Gy) | ~10³ (0,1 Mrad) | ~10⁴ (1 Mrad) |
| Doza za gubitak vlačne čvrstoće od 25% (Gy) | ~5 × 10⁴ (5 Mrad) | ~5 × 10⁵ (50 Mrad) |
| Doza pri kojoj materijal postaje lomljiv (Gy) | ~10⁶ (100 Mrad) | ~2 × 10⁶ (200 Mrad) |
| Vek trajanja u okruženju od 10⁴ Gy/god (godine) | 2-5 | 10-20 |
| Rizik rukovanja nakon{0}}ozračenja | Visoka (krti lom) | Umjereno (zadržava određenu duktilnost) |
Kontekst praktične brzine doze
Prednost otpornosti na zračenje ETFE-a u odnosu na PTFE je stvarna, ali se mora staviti u kontekst. U većini primjena izmjenjivača topline u nuklearnim postrojenjima, brzina doze zračenja na lokaciji izmjenjivača topline je relativno niska-zone visokog-radijacije su na drugim mjestima u procesu.
Izmjenjivač topline smješten u području sa brzinom doze od 10²-10³ Gy/godišnje će akumulirati samo 10³-10⁴ Gy tokom 10-godišnjeg radnog vijeka. U ovim dozama, i PTFE i ETFE zadržavaju svoja mehanička svojstva na odgovarajući način. Razlika u zračenju između ova dva materijala nije bitna.
Na lokacijama visokog{0}}radijacije gdje se akumulirana doza tokom vijeka trajanja opreme približava ili prelazi 10⁵ Gy, izbor između PTFE i ETFE postaje značajan. ETFE će zadržati mehanički integritet duže. Međutim, čak i ETFE će na kraju degradirati. Zamjena opreme mora se planirati na osnovu predviđene akumulacije doze, bez obzira na odabir materijala.
Prekrivanje hemijske otpornosti
Otpornost na zračenje ne postoji izolovano. Materijal izmjenjivača topline također mora biti otporan na procesnu hemiju. U preradi nuklearnog goriva, ta hemija je obično ključanje dušične kiseline. PTFE je bezuslovno otporan na dušičnu kiselinu. ETFE ima dobru, ali ne i bezuslovnu otpornost-može biti napadnut jakim oksidirajućim kiselinama na povišenim temperaturama.
Odluka o odabiru materijala mora odmjeriti superiornu otpornost na zračenje ETFE-a u odnosu na superiornu hemijsku otpornost PTFE-a. U većini nuklearnih primjena, procesna kemija (koja napada kontinuirano) predstavlja veći rizik od polja zračenja (koje se kumulativno degradira). PTFE je češći izbor iz tog razloga.
Rezime
ETFE izmjenjivači topline nude bolju otpornost na gama zračenje od PTFE, zadržavajući mehanička svojstva do doza približno 5-10 puta većih. Međutim, u većini lokacija izmjenjivača topline u nuklearnim postrojenjima, brzina doze zračenja je dovoljno niska da oba materijala prežive planirani vijek trajanja opreme. PTFE-ova superiorna hemijska otpornost na azotnu kiselinu i druge hemikalije nuklearnog procesa često ga čini poželjnim izborom uprkos prednosti zračenja ETFE-a. Konačni odabir ovisi o specifičnoj brzini doze, hemiji procesa i planiranju zamjene opreme.
Inženjerska podrška za odabir materijala za okruženje radijacije dostupna je nakon podnošenja očekivane brzine doze, sastava procesnog fluida, radne temperature i potrebnog vijeka trajanja opreme.
