Коррозионная защита технологического оборудования композиционными материалами
- Главная
- Пресс-центр
- Новости
- Коррозионная защита технологического оборудования композиционными материалами
01 февраля 2016 г.Коррозионная защита технологического оборудования композиционными материалами
Авторы:
Ю.В. Холодников ООО СКБ «Мысль» (Екатеринбург, Россия),
И.А. Волегжанин ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (Екатеринбург, Россия)
Коррозионные процессы отличаются широкой распространенностью и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии. Коррозию классифицируют по типу агрессивных сред, по условиям протекания коррозионного процесса, по характеру разрушения и т.п., однако главным классификационным признаком коррозии служит механизм ее протекания. По этому признаку классически различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую коррозию. Следует иметь в виду, что вследствие высоких диэлектрических свойств полимерных композитов электрохимическая коррозия для них не является приоритетным видом разрушения и в данном случае большее значение в прогнозировании долгосрочных эксплуатационных параметров имеет анализ химического или физико-химического взаимодействия композита с агрессивной рабочей средой.
Анализируя физико-химическую составляющую коррозионных процессов, протекающих между изделием из полимерных композиционных материалов и рабочей средой, рассмотрим также проблемы защиты изделий от абразивного износа, теплового, радиационного, биологического воздействия, вибрации, шума и других опасных производственных факторов.
В конце концов, каждый из перечисленных производственных факторов или их совокупность оказывают существенное влияние на эксплуатационные качества изделий, выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ). И еще одно замечание: класс ПКМ очень широк и многообразен, и охватить все его возможные виды и исполнения, а также проанализировать с точки зрения коррозионной стойкости в различных рабочих средах – не компетенция одной журнальной статьи, поэтому мы остановимся на полимерных композитах с термореактивной матрицей как на одном из перспективных (с точки зрения применения в качестве изделий промышленно-технического назначения) классов ПКМ.
На рисунке 1 представлена схема, отражающая основные способы защиты полимерными композиционными материалами оборудования и изделий от воздействия опасных производственных факторов.
Известно, что основные способы защиты технологического оборудования, машин, механизмов и изделий промышленного назначения делятся условно на три основных вида:
- конструктивные способы, связанные с применением конструкционных материалов, стойких в данной агрессивной рабочей среде;
- активные способы, предусматривающие применение средств снижения агрессивности рабочей среды на конкретном участке защищаемой поверхности;
- пассивные способы, предполагающие создание защитного непроницаемого барьера на защищаемой поверхности оборудования от воздействия агрессивной рабочей среды.
Конструктивные способы защиты от опасных производственных факторов применительно к рассматриваемому в данной статье предмету деятельности предполагают изготовление оборудования из коррозионно-стойких композиционных материалов. Критерием выбора композиционных материалов может служить фактор оптимизации соотношения «цена/качество», где под параметром цены следует подразумевать стоимость основных составляющих композита (связующее, армирующие материалы, наполнители), затраты на изготовление, эксплуатацию, обслуживание и ремонт. А под параметром качества прежде всего следует понимать совокупность основных эксплуатационных характеристик оборудования (надежность, срок службы, безопасность работы, производительность и другие параметры, важные для каждого конкретного вида изделия).
Изделия из коррозионно-стойких композитов с термореактивной матрицей из органических смол любого технического назначения можно изготавливать либо из стекло- (базальто-, угле-, органо- и пр.) пластиков различными технологическими способами, либо из дисперсно- (зернисто-, нано-) наполненных материалов типа полимербетонов, либо из премиксов по технологии прямого прессования (BMC). Премиксы, состоящие из связующего, армирующих материалов и наполнителей, служат промежуточным звеном между чистыми стеклопластиками и дисперсно-
наполненными композитами, поэтому мы их выделили в самостоятельную группу коррозионно-стойких деталей.
Важнейшим компонентом коррозионно-стойкого композита, определяющим такие его свойства, как химстойкость, влагонепроницаемость, термостойкость, биостойкость и др., является матрица композита (связующее), представляющая собой различные виды органических смол. Наиболее распространенными типами смол, ранжированными по функции повышения химической стойкости и физико-механических характеристик, являются:
- полиэфирные смолы (ортофталевые, изофталевые, терефталевые, винилэфирные);
- фенол-формальдегидные смолы;
- кремнийорганические смолы;
- эпоксидные (модифицированные эпоксидные) смолы.
Выбор типа связующего является важной научно-практической задачей, во многом определяющей долговременные свойства композиционного изделия, и осуществляется на основании рекомендаций фирм – изготовителей смол, опыта производителя коррозионно-стойкого оборудования, лабораторных исследований и анализа опыта эксплуатации оборудования в схожих производственных средах.
Вид армирующего материала главным образом определяет физико-механические свойства композита (прочность, вибростойкость, стойкость к действию ударных нагрузок и т.п.). Многообразие видов армирующих материалов открывает перед изготовителем широкие возможности по моделированию конструкции изготавливаемого изделия с различными прочностными характеристиками, не уступающими и превосходящими аналогичные показатели металлов.
Наполнители, вводимые в матрицу композита до ее отверждения, предназначены для придания изделию дополнительных свойств, например таких, как: абразивостойкость, триботехнические параметры, электропроводность, биостойкость, огнестойкость и др.
Целесообразность применения изделий с полимерной матрицей и наполнителями в виде фракционированных дисперсных наполнителей органического и неорганического происхождения (так называемых полимербетонов) в виде элементов строительных конструкций, фундаментов технологического оборудования, переливных лотков, желобов, отстойников, бассейнов и т.п. определяется их более высокими физико-механическими характеристиками и химической стойкостью, чем аналогичные изделия из обычного бетона.
Способы производства изделий из композиционных материалов производственно-технического назначения перечислены в [1].
Под понятием «интеллектуального» композита мы понимаем класс конструкционных материалов, способных к самодиагностированию, самоадаптации и самовосстановлению. Эти композиты должны уметь распознавать возникающие эксплуатационные угрозы (сенсорная функция), анализировать их и принимать самостоятельные или командные решения (процессорная функция), а также возбуждать и осуществлять необходимое противодействие внешней негативной реакции (исполнительная функция).
К сожалению, в настоящее время не существует композитов, которые бы отвечали всем перечисленным требованиям. Однако поэтапно могут быть решены, например, задачи по созданию материалов, информирующих о своем состоянии, о приближении эксплуатационных нагрузок к предельно допустимым, о трещинообразовании, химической коррозии, повышенном водопоглощении и т.д. Важно, чтобы «интеллектуальная» составляющая композита органически входила в его структуру и не ухудшала потребительские качества изделия.
ИЗ ПАССИВНЫХ СПОСОБОВ АНТИКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ МЫ ВЫДЕЛИЛИ ДВА ОСНОВНЫХ:
- специальные виды защитных покрытий (гелькоаты, мастики, шпатлевки и т.п.);
- футеровка композиционными материалами.
Гелькоатные, мастичные, шпатлевочные и другие аналогичные виды защитных покрытий на основе коротковолокнистых, дисперсно- (нано-) наполненных композиционных материалов создают на поверхности объекта защиты достаточно тонкую защитную пленку, способную обеспечить химическую, абразивную, огнестойкую, биологическую стойкость изделия в ограниченном промежутке времени. Достоинствами этой группы материалов являются минимальные трудозатраты и экономическая выгода, недостатки же характерны для всех видов пленочных покрытий.
На рисунке 2 представлена обобщенная схема применяемости различных видов защитных покрытий в зависимости от условий эксплуатации и среднего срока службы покрытий.
«Мягкие» условия эксплуатации – это промышленная атмосфера, технические среды с температурой эксплуатации от –40 до +40 °С, рН 4÷7.
«Средние» – температура рабочей среды до +100 °С, рН 3÷8.
«Жесткие» – температура более +100 °С, рН 1÷14, наличие абразивного износа, кавитационные явления, нестабильный рабочий режим.
Границы применяемости, конечно, условные, поскольку понятно, что футерованный плиткой объект в «мягких» условиях простоит и 30, и 50 лет. Однако этот метод защиты предназначен для «жестких» условий, в которых, как правило, более 10 лет защита не стоит.
ФУТЕРОВКА СПЕЦИАЛЬНЫМИ КОМПОЗИТАМИ ПРЕДНАЗНАЧЕНА:
- для повышения эксплуатационных параметров производственного оборудования (надежность, долговечность, эффективность, производительность и т.д.) путем создания стойкого многофункционального барьера на поверхности изделий, защищающего от воздействия агрессивных рабочих сред;
- для снижения стоимости оборудования за счет замены химстойких марок стали и дорогостоящих металлов (титан, медь, алюминий и др.) на обычные стали, футерованные специальным композитом;
- для оперативного решения вопросов технического обслуживания и ремонтов технологического оборудования, а также безопасного ведения ремонтно-восстановительных работ;
- для придания новых эксплуатационных свойств действующему оборудованию при его модернизации или перепрофилировании.
В настоящее время защита оборудования, эксплуатируемого в агрессивной рабочей среде (а это практически все промышленное оборудование и различные технологические системы), осуществляется следующими способами:
- изготовление оборудования из специальных марок стали;
- защита ЛКМ;
- футеровка листовым пластиком (полиэтилен, фторопласт, винипласт и др.);
- гуммирование резиной;
- футеровка штучными изделиями (каменное литье, кирпич, плитка и т.п.).
ПРЕИМУЩЕСТВА ФУТЕРОВКИ КОМПОЗИТАМИ ЗАКЛЮЧАЮТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ:
а) высокая ударо-, вибропрочность защитной системы;
б) высокая химстойкость, износостойкость (био-, тепло- и т.д.) футеровочного покрытия;
в) возможность защиты сложных пространственных конструкций любой формы;
г) возможность ведения защитных работ «по месту»;
д) отсутствие сварных швов и стыков в защитном покрытии.
Кроме того, каждый из существующих способов защиты решает достаточно узкий спектр проблем, связанных с обеспечением надежной работы оборудования в агрессивной среде. На практике же мы имеем дело с комплексом негативных факторов, воздействующих на производственное оборудование: например, с химической агрессивной средой и абразивным износом или абразивным износом и высокой температурой и т.п. Только композиты способны обеспечить комплексную защиту в широком диапазоне агрессивных сред.
Большие возможности эффективной защиты технологического оборудования композитами в том числе объясняются наличием различных адаптированных к конкретным условиям проведения работ способам нанесения футеровочных покрытий. В таблице приведены данные по известным на сегодняшний день способам футеровки, в т.ч. разработанным в ООО СКБ «Мысль».
Теме защитных футеровочных покрытий посвящен большой цикл работ [3, 4, 5, 6 и др.]. Контактное («мокрое») ламинирование – это нанесение непосредственно на защищаемую поверхность пропитанного термореактивной смолой армирующего материала толщиной не менее 2,5–3 мм [7]. Достоинства способа – возможность нанесения надежного и долговременного футеровочного покрытия на поверхности любой пространственной конфигурации (прямолинейные, сферические, криволинейные и др.). Недостатки – человеческий фактор, трудозатраты и необходимость обеспечения безопасных условий работы, особенно в замк-
нутых объемах.
Футеровка листовым композитом – способ футеровки листовым специальным композиционным материалом преимущественно прямолинейных поверхностей от воздействия опасных производственных факторов [8]. Достоинства способа заключаются в снижении (по сравнению с вышеописанным способом контактной футеровки) трудозатрат, повышении производительности работ и качества защиты. Недостатки – защита только прямолинейных поверхностей.
Комбинированный способ защиты заключается в сочетании способов контактной футеровки и футеровки листовым композитом.
Технология CIPP предназначена для ремонта и восстановления изношенных трубопроводов методом футеровки внутренней поверхности специальным, пропитанным термореактивным связующим, рукавом из армирующих материалов, протягиваемым в трубу и принимающим ее форму за счет подачи внутрь рукава горячих пара или воды, обеспечивающих полимеризацию связующего.
Объемная футеровка [9] – способ защиты оборудования, к которому по техническим причинам (стесненные либо опасные условия и т.п.) нельзя применить известные способы защиты от воздействия агрессивной рабочей среды.
В настоящее время данный способ проходит опытно-промышленные испытания в ООО СКБ «Мысль».
Футеровка полимербетоном целесообразна для защиты технологического оборудования и строительных конструкций от абразивного износа, высоких температур, повышения химстойкости строительных сооружений и т.п. Жидкий полимербетон можно наносить ручным набрызгом или механическим способом (торкретированием) с последующим разглаживанием и уплотнением нанесенного слоя.
Футеровка штучным материалом отличается от общепринятого способа защиты тем, что предусматривает применение штучных изделий (плиток с различными защитными функциями), выполненных из композиционных материалов [10]. Преимущества предлагаемого способа футеровки заключаются прежде всего в снижении трудоемкости работ и за счет меньшей массы – снижение нагрузок на защищаемое оборудование.
Центробежное литье – классический способ нанесения футеровки, как правило, из дисперсно-наполненного композита на внутреннюю поверхность труб, выполняемую в цеховых условиях на специальном заливочном оборудовании.
ФУТЕРОВКА КОМПОЗИТАМИ ДАЕТ СУЩЕСТВЕННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД ДРУГИМИ СПОСОБАМИ ЗАЩИТЫ, ПОСКОЛЬКУ ПОЗВОЛЯЕТ:
- защищать оборудование в широком диапазоне агрессивных рабочих сред;
- защищать сложные объемные поверхности (шарообразные, с «поднутрениями» и т.п.);
- футеровать присоединенные элементы конструкции (штуцера, каналы, патрубки и т.д.);
- гибкость «мокрого» ламината компенсирует неровности поверхности изделия, что позволяет ликвидировать зазоры между изделием и футеровочным слоем, избегая подпленочной коррозии;
- менять толщину футеровочного слоя в зависимости от нагруженности изделия в том или ином месте конструкции;
- комбинировать слои футеровки, используя различные виды связующего и типы наполнителей.
И, НАКОНЕЦ, СЛЕДУЕТ ОТМЕТИТЬ ТАКИЕ НЕСОМНЕННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОМПОЗИТОВ, КАК:
- высокая ударо-, вибропрочность, позволяющая воспринимать динамические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации изделия;
- большой диапазон рабочих температур без потери защитных свойств защитного покрытия;
- ремонтопригодность стеклопластиков, позволяющая восстанавливать поврежденные участки без демонтажа всего покрытия;
- достаточно высокая прочность и химстойкость стеклопластиков позволяет во многих случаях отказаться от применения специальных химстойких материалов (нержавеющая сталь, титан и т.д.) и уменьшить массу конструкции за счет уменьшения толщины подложки (каркаса) изделия;
- органические смолы, являющиеся связующими в стеклопластиках, обладают отличной совместимостью с большинством химстойких лакокрасочных материалов и другими типами защитных материалов, например резинами, что позволяет проводить комплексную защиту технологического оборудования с применением разных видов защитных систем, материалов, технологий и т.п., в зависимости от условий эксплуатации, требуемого уровня защиты, профессиональной подготовки рабочих и других технологических параметров.
Таким образом, рассматривая совокупность признаков, определяющих целесообразность применения того или иного вида защитной системы, для изделий, эксплуатируемых в опасных производственных условиях, следует констатировать, что на данный момент времени футеровка специальными композиционными материалами является наиболее предпочтительным видом футеровки ввиду своей универсальности, отличной химстойкости, технологичности и наличия явных эксплуатационных преимуществ.
Таблица. Способы нанесения футеровки
№ |
Способ нанесения футеровки |
Назначение |
Недостатки |
Преимущества |
1. |
Мокрое ламинирование |
• поверхности любой пространственной конфигурации (плоские, сферические, цилиндрические и пр.); • работа «по месту» |
• опасная работа как по пожарным, так и санитарным требованиям • высокое влияние человеческого фактора |
• минимум специального инструмента • возможность нанесения любого вида защитного покрытия на месте (химстойкое, износостойкое, теплостойкое и пр.); • любая поверхность |
2. |
Футеровка листовым композитом |
• плоские поверхности |
• только плоские поверхности |
• хорошие производственные условия ведения работ; • гарантированное качество защиты; • производительный (по сравнению с 1-м способом работ) |
3. |
Комбинированный способ футеровки («мокрое» ламинирование + листовой композит) |
• для крупного, объемного оборудования |
• отсутствие производственного опыта по данному способу |
• достоинства 1-го и 2-го способов |
4. |
Способ объемной футеровки емкостного оборудования и труб |
• футеровка труб (внутренняя); • футеровка емкостного оборудования (баки, цистерны, мешалки и пр.; • футеровка воздуховодов, газоходов |
• не выявлено |
• получение надежного, эффективного |
5. |
Центробежное литье |
• для футеровки износостойким полимербетоном труб и газоходов |
• только цеховое производство ограниченных по длине отрезков труб |
• износо- (тепло-, огне- и пр.) стойкое покрытие по толщине меньше, чем футеровка каменным литьем, кирпичом или керамикой |
6. |
Футеровка полимербетоном «по месту» (торкретирование) |
• износостойкие (термостойкие) покрытия |
• человеческий фактор; • узкая область применения |
• создание износостойких покрытий «по месту» набрызгом или наливом |
7. |
Ремонтные технологии футеровки |
• ремонтные работы |
• нет регламентов, нормативов, кадров |
• возможность качественного ремонта |
8. |
Футеровка «стакан в стакане» |
• быстрое восстановление работоспособности аварийного оборудования |
• необходимо иметь запас изделий, обеспечив их хранение; • применимо для ограниченного числа изделий |
• быстрое решение проблем ремонта |