image

Коррозия Территории Нефтегаз № 2 (34) 2016

Композиционные материалы

»  01.02.2016 11:00 Коррозионная защита технологического оборудования композиционными материалами
В статье приведены основные способы защиты технологического оборудования от воздействия агрессивной рабочей среды композиционными материалами с полимерной матрицей. Приведена классификация, описаны новые способы защиты и даны рекомендации по их применению.
Ключевые слова: композиционные материалы, защита технологического оборудования, агрессивная рабочая среда, опасные производственные факторы, футеровка.
Открыть PDF


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.

24-29_r1.png

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:

  1. конструктивные способы, связанные с применением конструкционных материалов, стойких в данной агрессивной рабочей среде;
  2. активные способы, предусматривающие применение средств снижения агрессивности рабочей среды на конкретном участке защищаемой поверхности;
  3. 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:

  1. полиэфирные смолы (ортофталевые, изофталевые, терефталевые, винилэфирные);
  2. фенол-формальдегидные смолы;
  3. кремнийорганические смолы;
  4. 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.

24-29_r2.png

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:

  1. высокая ударо-, вибропрочность, позволяющая воспринимать динамические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации изделия;
  2. большой диапазон рабочих температур без потери защитных свойств защитного покрытия;
  3. ремонтопригодность стеклопластиков, позволяющая восстанавливать поврежденные участки без демонтажа всего покрытия;
  4. 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;
  5. 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
и оснастки;

• 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
и качественного покрытия труб любого диаметра, сечения (в том числе профильного)

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
и модернизации технологического оборудования

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

 



← Назад к списку