Влияние агрессивных сред на материалы датчиков. Часть 3

Влияние агрессивных сред на материалы уровнемеров

В предыдущей статье были рассмотрены предельные переключатели уровня для агрессивных сред с материалами сенсоров из полимерных материалов и нержавеющих сталей разных марок. Но помимо сигнализации уровня в химической промышленности необходимо непрерывное измерение уровней агрессивных жидкостей, например, для дозировки реагентов, для определения потерь веществ и т.п. С задачей измерения уровня в химической промышленности превосходно справляются уровнемеры для агрессивных жидкостей, которые рассмотрим в этой и следующей статьях. Для начала поговорим о разных типах гидростатических уровнемеров.

Гидростатические врезные уровнемеры LMK 351

Гидростатические погружные уровнемеры LMK 858

Ультразвуковые уровнемеры EasyTREK

LMK 351 – врезной гидростатический уровнемер агрессивных жидкостей для промышленного учета

Принцип работы таких датчиков заключается в следующем:

Чувствительным элементом данной системы измерения уровня является мембрана. В зависимости от столба жидкости, который на неё давит, она упруго деформируется. Встроенный тензоэлемент фиксирует данное возмущение, а далее внутренняя электроника преобразует его в аналоговый сигнал 4…20 мА, который соответствует определённому значению уровня.

Уровнемер для агрессивных жидкостей LMK 351 используется для определения уровня таких агрессивных жидкостей, как кислоты и щелочи. Материалом для штуцера является ПВХ, который препятствует коррозии датчика уровня. Разберёмся подробнее в свойствах и особенностях поливинилхлорида (ПВХ).

ПВХ представляет собой нетоксичный, механически-прочный, биологически-инертный материал, обладающий высокой химической и коррозионной стойкостью ко многим агрессивным средам.

Таблица устойчивости к различным средам представлена ниже.

+ стоек, – не стоек, О – ограничено стоек, НД – нет данных.

Термическая деструкция ПВХ

Для объяснения химических свойств поливинилхлорида приведем примеры:

1. ПВХ не разрушается до 60°С при действии соляной и муравьиной кислот любых концентраций;
2. Но даже 10%-ный раствор олеума способен привести поливинилхлорид к деструкции.

Помимо штуцера уровнемера для агрессивных жидкостей LMK 351, с жидкой агрессивной средой контактирует мембрана датчика. Она состоит из керамики (Al₂O₃), которую принято называть корундовой керамикой из-за содержания оксида алюминия в размере более 95%. Керамика из оксида алюминия имеет «большую популярность» среди других материалов своего семейства благодаря своим уникальным свойствам:

1. Высочайшая механическая прочность и твёрдость;
2. Повышенная износостойкость;
3. Стойкость к абразивности;
4. Химическая инертность;
5. Минимальная пористость;
6. Высокая теплопроводность;
7. Термическая стойкость;
8. Высокое электрическое сопротивление;
9. Низкие диэлектрические потери;
10. Тонкий и ультратонкий размер зерна, гарантирующий отменную полировку поверхности. Для полировки поверхности изделий из корундовой керамики используется самое твердое вещество в мире – алмаз, а также его аналоги – карбид бора, карбид кремния, нитрид бора. Ничто другое керамику “не берёт”.

Помимо особенностей, связанных с физическим отличием корундовой керамики от других материалов, она также обладает химической стойкостью ко многим веществам. Для удобства представим это в следующей таблице:

С – стойкий, Н – не стойкий, О – ограничено стойкий (срок службы значительно уменьшается), НД – нет данных

В таблице указана химическая стойкость корундовой керамики, и стоит привести примеры для лучшего понимания свойств данного материала:

1. Оксидная керамика из алюминия имеет устойчивость к плавиковой кислоте только при 20°С, но увеличив температуру тех. процесса, материал начнет разрушаться;
2. Но зато при контакте корундовой керамики с хромовой кислотой любой концентрации материал сохранит свои свойства и не получит разрушающих воздействий.

Таким образом, уровнемер для агрессивных жидкостей LMK 351 можно применить, учитывая стойкость штуцера и мембраны:

1. В азотной кислоте различных концентраций при комнатной температуре;
2. А также, например, в соляной кислоте разных концентраций до 40°С.

LMK 858 – погружной датчик уровня агрессивных сред

Принцип работы, в отличие от врезного, заключается в следующем: снаружи на мембрану уровнемера так же действует давление столба жидкости, а уже изнутри атмосферное. Соответственно, датчик должен быть полностью погружен в жидкость. Эту разницу и измеряет внутренняя электроника прибора. На выходе также имеем аналоговый сигнал 4…20 мА пропорциональный значению уровня.

Так как уровнемер для агрессивных жидкостей LMK 858 погружают в жидкость, необходимо учесть свойства материала корпуса, из которого он изготовлен. Им является поливинилиденфторид (ПВДФ) или иначе фторопласт, обладающий индивидуальными особенностями:

1. Температурный предел на воздухе 150°С;
2. Высокая жесткость, даже при низких температурах;
3. Хорошая механическая прочность, твёрдость;
4. Химическая, электроизоляционная и радиационная стойкость;
5. Стойкость к гидролизу и УФ-излучению;
6. Хорошая износостойкость;
7. Физиологическая инертность (возможен контакт с пищевыми продуктами);
8. Низкая воспламеняемость.

Как было сказано выше, ПВДФ обладает хорошей химической стойкостью, тем самым позволяя погружать  уровнемер для агрессивных сред LMK 858 в различные едкие вещества.

Для того, чтобы подробнее с этим разобраться, представим следующую таблицу:

С – стойкий, Н – не стойкий, О – ограничено стойкий (срок службы значительно уменьшается), НД – нет данных

Рассмотрим для примера, в каких едких жидкостях можно и нежелательно устанавливать данный уровнемер:

1. Корпус из поливинилиденфторида можно применять с большинством неорганических кислот высокой концентрации даже при высоких температурах, например, с фосфорной кислотой, не боясь разрушения материала;
2. Напротив, ПВДФ в отношении щелочей, даже при концентрации ниже 10%, а также при контакте с, например, олеумом, начинает разлагаться с выделением токсичных веществ, содержащих фтор.

Помимо корпуса, с агрессивной средой контактирует кабель датчика уровня LMK 858, поэтому необходимо подробно остановиться на нем.

Вы можете заказать кабель из ПУР (полиуретана) или ФЭП (фторированный этилен-пропилена). Так что мы рассмотрим разные варианты.

ПУР является полимером, который отличается:

1. Широким температурным диапазоном эксплуатации от -60°С до +80°С;
2. Высокой степенью твердости (возможность использования при сильных механических нагрузках);
3. Высочайшей износостойкостью;
4. Абразивной стойкостью;
5. Высокой эластичностью при высокой твёрдости;
6. Устойчивостью к атмосферным воздействиям и различным химическим веществам;
7. Возможностью кратковременной эксплуатации при температуре до +100°С;
8. Также он не подвержен образованию микроорганизмов и плесени, обладает стойкостью к маслам и растворителям.

ФЭП представляет собой сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, перерабатываемых в расплаве. Этот материал сочетает в себе:

1. Стойкость к старению;
2. Химическую инертность;
3. Превосходные диэлектрические свойства;
4. Термостойкость;
5. Прочность;
6. Гибкость;
7. Отсутствие прилипания;
8. Незначительное водопоглощение;
9. Атмосферостойкость;
10. Устойчивость к деформации при температуре до +205°С.

Помимо рассмотренных свойств этих двух материалов, необходимо учесть химическую стойкость, которая «диктует» инженеру-технологу выбор правильных условий процесса и датчика с нужным материалом. Без лишних слов, представлена данная таблица ниже:

+ стойкий, - не стойкий, О – ограничено стойкий (срок службы значительно уменьшается), НД – нет данных

Кабель погружного датчика уровня LMK 858 можно заказать в двух разных модификациях. Поэтому, чтобы правильно выбрать материал, который подойдет для вашего процесса, приведем примеры:

1. Кабель из ПУР подойдёт для слабо концентрированных жидкостей, например раствора винной кислоты или 3%-ной перекиси водорода, можно также установить и в более концентрированных агрессивных жидкостях, к примеру, в 10%-ной борной кислоте, но тогда срок службы датчика значительно сократится, так как материал кабеля подвергнется коррозии через какое-то время.
2. Кабель ФЭП подойдет для более концентрированных растворов и значительного увеличения температуры. Например, материал инертен к серной кислоте, даже 96%-ной или царской водке, правда, эту жидкость фторированный этилен-пропилен выдержит лишь при комнатной температуре.

Мембрана уровнемера LMK 858, состоящая из керамики как и в предыдущем случае, так же контактирует с агрессивной средой, поэтому необходимо учитывать и ее химическую стойкость.

Таким образом уровнемер для агрессивных жидкостей LMK 858, учитывая материалы корпуса, кабеля и мембраны можно установить:

1. С кабелем ФЭП, например, в серной кислоте любой концентрации до 40^оС;
2. С кабелем ПУР, например, в разбавленном растворе винной кислоты при комнатной температуре.

Отличным решением для измерения уровня агрессивных жидкостей будет бесконтактный ультразвуковой уровнемер, так как действие паров не так пагубно для материалов датчика.

Экономичный многофункциональный ультразвуковой измеритель уровня EasyTREK для агрессивных жидкостей

Ультразвуковой датчик уровня Easytrek устанавливается строго вертикально в крышку бака с кислотой, щёлочью или другими реагентами. Во время работы излучатель посылает ультразвуковые импульсы до верхнего уровня жидкости. Датчик фиксирует время прохождения акустической волны от излучателя к приёмнику. Это значение прямо пропорционально значению уровня. Затем внутренняя электроника преобразует его в аналоговый либо цифровой сигнал.

Возможные материалы как для корпуса так и для сенсора уровнемера для агрессивных жидкостей EasyTREK:

• ПП (полипропилен),
• ПВДФ (Кинар),
• ПТФЭ (Тефлон).

Испытания полипропилена на стойкость к хлору

Полипропилен и поливинилиденфторид были рассмотрены раннее, поэтому подробно на их свойствах останавливаться не будем, а лучше объясним подробнее про политетрафторэтилен (ПТФЭ).

ПТФЭ (фторопласт-4) представляет собой тефлон, который обладает следующими свойствами:

1. При низких температурах становится высокопрочным и вязким;
2. При отрицательных температурах до -80°С он сохраняет гибкость;
3. Уникальный диэлектрик;
4. Изделия политетрафторэтилена могут применяться при температуре от -269°С до +260°С и кратковременно при температурах до + 300°С;
5. Данный полимер обладает очень высокой стойкостью к химически агрессивной среде, т.е. устойчив практически ко всем кислотам и щелочам;
6. В том числе, этот материал выдерживает воздействие органических и не органических растворителей, нефтепродуктов при широких интервалах температуры, от -269°С до +260°С. Исключения – расплавленные щелочные металлы, элементарный фтор и трёхфтористый хлор.

После того, как стало понятно, что же это за материалы, следует остановиться на химической стойкости данных полимеров к парам агрессивных жидкостей, ведь они тоже являются достаточно едкими и могут подвергнуть коррозии большое количество материалов.

С – стойкий к агрессивной среде, Н – не стойкий к агрессивной среде, О – ограничено стоек (срок службы уменьшен), НД – нет данных.

Таким образом, ультразвуковой уровнемер EasyTREK для агрессивных жидкостей можно применять в зависимости от выбора материала корпуса:

1. Полипропилен прекрасно выдержит пары хлористого водорода.
2. Поливинилиденфторид инертен к парам азота.
3. Политетрафторэтилен химически стоек к парам окиси азота.

Тем самым срок службы и устойчивость материала к коррозии зависят от технологического процесса, и нужно обязательно обращать на это внимание. 

Если вы сомневаетесь в выборе материала уровнемера для вашего производства, обращайтесь к инженерам службы поддержки компании «РусАвтоматизация». Они грамотно оценят условия вашего технологического процесса, и помогут подобрать оптимальное решение.

Читайте также:

• 'Влияние агрессивных сред на материалы датчиков. Часть 1'
• 'Влияние агрессивных сред на материалы датчиков. Часть 2'