Антикоррозионная защита оборудования полимерными композитами

Ю. В. Холодников, к.т.н.

АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИТАМИ

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:

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 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:

1. Полиэфирные смолы:

- ортофталевые, изофталевые, терефталевые, винилэфирные;

2. Фенолформальдегидные 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 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.

Таблица 1

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:

·      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, тем самым 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 несомненные преимущества композитов по следующим причинам:

1.    Высокая ударо-вибропрочность, позволяющая воспринимать динамические нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации изделия.

2.    Большой диапазон рабочих температур без потери защитных свойств защитного покрытия; ремонтопригодность стеклопластиков, позволяющая восстанавливать поврежденные участки без демонтажа всего покрытия.

3.    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.

4.    Органические смолы, являющиеся связующим 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 химстойкими композиционными материалами является наиболее предпочтительным видом футеровки ввиду своей универсальности, отличной химстойкости, технологичности и наличия явных эксплуатационных преимуществ.

Литература

1. Холодников Ю.В. «Промышленные композиты» //Журн. «Композитный мир». № 5. 2012 г. С. 48-54.

2. «Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии: учебн. пособие»/ под ред. А.А. Берлина. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с., ил.

3. Холодников Ю.В. «Новые принципы организации защиты технологического оборудования от воздействия агрессивной рабочей среды» // Журн. «Упрочняющие технологии и покрытия». № 1. 2012 г. С. 41-43.

4. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. «Футеровка композитами как направление развития отрасли» // Журн. «Композитный мир». № 1. 2012 г. С. 50-53.

5. Холодников Ю.В. «Защита оборудования композиционными материалами» // Журн. «Практика противокоррозионной защиты». № 1. 2011 г. С. 14-18.

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».

НГС 1(34)2019