Коррозионные процессы отличаются широким распространением 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, условиям протекания коррозионного процесса, характеру разрушения и т.п., однако главным классификационным признаком коррозии служит механизм протекания коррозии. 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 играет анализ химического или физикохимического 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 – классе ПКМ.
На рис. 1 представлена таблица, 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 защиты оборудования от опасных производственных факторов применительно к рассматриваемому в данной статье предмету деятельности предполагают его изготовление из коррозионностойких 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 коррозионностойких 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-, нанонаполненных материалов типа полимербетонов, или из премиксов по технологии прямого прессования (BMC). Премиксы, состоящие из связующих, армирующих материалов и наполнителей служат промежуточным звеном между чистыми стеклопластиками и дисперсно-наполненными композитами, поэтому мы их выделили в самостоятельную группу коррозионностойких деталей.
Важнейшим компонентом коррозионностойкого композита, определяющим такие его свойства, как химстойкость, влагонепроницаемость, термостойкость, биостойкость и др., является матрица композита (связующее), представляющее собой различные виды органических смол. Наиболее распространенными типами смол, ранжированными в функции повышения химической стойкости и физико-механических характеристик, являются:
- ортофталевые, изофталевые, терефталевые, винилэфирные;
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 коррозионностойкого 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 – т.н. 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, способный 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 эти задачи могут быть решены – например, задачи по созданию материалов, информирующих о своем состоянии, приближении эксплуатационных нагрузок к предельно допустимым, 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, а недостатки – характерные для всех видов пленочных покрытий.
На рис. 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 -40÷ +400С, рН 4÷7.
«Средние» – температура рабочей среды до +1000С, рН 3÷8.
«Жесткие» – температура более +1000С, 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 других – «жестких» условий, где, 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 заключается в следующем:
а) высокая ударопрочность и виброустойчивость 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: химически агрессивная среда и абразивный износ или абразивный износ и высокая температура и т.п. Только композиты способны обеспечить комплексную защиту в широком диапазоне агрессивных сред.
Большие возможности эффективной защиты технологического оборудования, в том числе композитами, объясняются наличием различных, адаптированных к конкретным условиям проведения работ способам нанесения футеровочных покрытий. В табл. 1 приведены данные по известным на данный момент способам футеровки.
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 (рис. 3.) [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 замкнутых 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 вовнутрь рукава горячих пара или воды, обеспечивающих полимеризацию связующего.
Объемная футеровка [9] – способ защиты оборудования, где по техническим причинам (стесненные условия, опасные условия и т.п.) нельзя применить известные способы защиты от воздействия агрессивной рабочей среды. В настоящее время данный способ проходит опытно-промышленные испытания.
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 (рис. 4).
Футеровка штучным материалом отличается от общепринятого способа защиты тем, что предусматривает применение штучных изделий (плиток с различными защитными функциями), выполненными из композиционных материалов (рис. 5) [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, выполняемого в цеховых условиях на специальном заливочном оборудовании (рис. 6).
Футеровка композитами дает существенные преимущества перед другими способами защиты, поскольку позволяет:
И, наконец, следует отметить несомненные преимущества композитов по следующим причинам:
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 химстойкими композиционными материалами является наиболее предпочтительным видом футеровки ввиду своей универсальности, отличной химстойкости, технологичности и наличия явных эксплуатационных преимуществ.
Литература
6. Холодников Ю.В. «Футеровка оборудования композиционными материалами» // Журн. «Новые промышленные технологии». № 5. 2010 г. С. 3-5.
7. Патент РФ № 2365678 «Способ получения защитного футеровочного покрытия», опубл. 27.08.09.
8. Патент РФ на полезную модель № 92383 «Лист футеровочный слоистый», опубл. 20.04.2010.
9. Патент РФ № 2473424 «Способ изготовления объемных изделий из композитов», опубл. 27.01.2013.
10. ТУ 2292-004-20616038-2012 «Изделия из полимербетона специального назначения».
Категория статьи: АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА
Дата создания статьи: 2019-04-01 11:48:32