CC BY
192
УДК 620.193,197 (075.8, 076)
В. В. Микитянский, Р. Велес Парра*, А. Р. Велес-Пивоваров*
Астраханский государственный технический университет ООО «Астраханьгазпром»
БОРЬБА С КОРРОЗИЕЙ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫ1ЛЕНИЯ
На протяжении длительного времени химическая наука и техника с переменным успехом ведут борьбу с коррозией - злейшим врагом металлов.
Двадцатый век ознаменовался значительным прогрессом в этом направлении благодаря успехам неорганической химии и химии высокомолекулярных соединений. Создание обширной номенклатуры искусственных силикатных материалов, синтетических смол и полимеров позволило решить многие проблемы защиты металлов от коррозии за счет нанесения различных покрытий и использования конструкционных неметаллических и металлических материалов для изготовления химических аппаратов и других изделий, эксплуатируемых в контакте с агрессивными средами [ 1-3].
Однако появление новых технологий и новой техники, интенсификация промышленного производства, сопровождаемая, как правило, повышением рабочих температур и давлений, концентраций технологических сред и скоростей материальных потоков, привели к тому, что и неметаллические материалы, которые являются более устойчивыми по отношению к агрессивным средам, чем металлы, в новых условиях стали также корродировать подобно металлам.
Большое распространение в настоящее время получили металлические покрытия, широко применяющиеся для защиты от коррозии изделий и деталей машин, приборов, оборудования, разнообразных металлоконструкций и сооружений, эксплуатирующихся в различных агрессивных средах. Нередко металлическое покрытие является единственно возможным и наиболее экономичным средством защиты изделий и деталей от коррозии.
Сущность защиты от коррозии металлическими покрытиями заключается в изоляции нестойкой в конкретной среде металлической поверхности тонким слоем более стойкого металла.
Использование коррозионностойких металлических покрытий создает возможность изготовлять изделия и детали из доступных и дешевых металлов (как правило, из углеродистых сталей) и использовать их в весьма агрессивных средах (кислотах, щелочах, солях, газах) при различной температуре и скорости движения среды.
Различают два вида металлических покрытий - анодные и катодные. Анодные покрытия имеют потенциал более отрицательный, чем у защищаемого металла, а катодные - наоборот. При хорошем состоянии покрытия надежность изделия или детали в эксплуатации определяется только его стойкостью. В случае нарушения сплошности и непроницаемости покрытия начинает влиять разница в потенциалах и поляризационных характеристиках защищаемого металла и покрытия.
При анодном покрытии за счёт эффекта катодной защиты опасность выхода деталей из строя меньше, хотя и контролируется усиленной скоростью растворения покрытия в результате работы контактной пары.
На практике чаще применяются катодные покрытия, т. к. во многих агрессивных средах они имеют значительно меньшую скорость собственной коррозии, чем анодные. В этом случае опасность нарушения покрытия велика, и требования к их стойкости и сплошности должны быть высокими. Это обусловлено тем, что при нарушении такого покрытия скорость коррозии оголенных участков основного металла может возрасти в десятки раз, вызвать сквозные разрушения и выход из строя изделия. Однако в силу особенностей защищаемых изделий и агрессивных сред широко применяются как катодные, так и анодные покрытия.
Металлические покрытия наносят различными методами: электролитическим, химическим, диффузионным, горячим напылением, плакированием и др. Для этого на предприятиях имеется специальное оборудование, аппараты, приборы, полуавтоматические и автоматические линии.
История применения напыления насчитывает уже десятки лет, в течение которых совершенствовался способ упрочнения деталей машин, разрабатывались новые источники нагрева, создавалась аппаратура для непрерывной подачи напыляемого материала в виде проволоки или порошка; разрабатывалось и изготавливалось более совершенное оборудование.
Метод газотермического напыления (ГТН) характеризуется широтой технологических возможностей:
- покрытия можно наносить на объекты любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин и др.;
- толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм; покрытия могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более %);
- покрытия могут быть изготовлены из любых материалов, имеющих точку плавления или интервал размягчения;
- в качестве подложки можно использовать дерево, стекло, пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;
- нанесение покрытий может производиться в широком диапазоне состава покрытия, температуры и давления - в низком вакууме в специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе при нормальных условиях, под водой;
- нанесение покрытий не вызывает значительного нагрева напыляемой поверхности, следовательно, обеспечивается сохранение геометрических размеров деталей.
Газотермические покрытия применяют при ремонте оборудования и упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров покрытия - его состава, толщины, плотности и прочности сцепления с подложкой.
Повышение требований к покрытию обусловливает более высокие требования к оборудованию, которое должно автоматически поддерживать постоянными технологические режимы напыления при помощи компьютерной системы автоматического управления с применением робототехники для обеспечения и контроля взаимного перемещения распылителя и детали.
Новейшие разработки позволяют максимально точно воспроизводить процесс газотермического напыления. Применение компьютерных технологий делает рабочий процесс напыления максимально удобным для проведения контроля и наблюдения [4].
Нанесение покрытий мелкодисперсными конденсированными частицами производят с помощью газотермических способов напыления, которые включают в себя нагрев или плавление каким-либо источником теплоты напыляемого материала и его ускорение газовым потоком. На поверхность подложки напыляемый материал поступает в диспергированном состоянии в виде мелких расплавленных или пластифицированных частиц, которые ударяются об нее, деформируются и, закрепляясь, накладываются друг на друга, образуя покрытие. На рис. 1 представлена обобщенная схема ГТН.
Рис. 1. Обобщенная схема ГТН
В высокотемпературный источник нагрева 1 напыляемый материал можно подавать в виде проволоки, прутка, шнура или порошка 2. В случае нанесения покрытий из материала в компактной форме он нагревается, плавится и диспергируется с нагретой поверхности конца стержня в зоне нагрева.
При напылении порошков их вводят в высокотемпературный поток, где они нагреваются в процессе движения на участке А.
Частицы плавятся, испаряются, вступают в химическое взаимодействие с нагретым газом и окружающей средой. Удар о подложку и деформация частиц приводят к их охлаждению и кристаллизации со скоростью 10-6... 10-8 К/с. На участке Б частицы распределяются в газовом потоке и ускоряются им в соответствии с законами газодинамики. На участке В частицы 3 направленно перемещаются к подложке 5 и образуют на ней покрытие 4.
Газотермические покрытия характеризуются необычным строением как покрытия в целом, так и его отдельных элементов, поскольку они образуются из быстро кристаллизующихся частиц малого размера. Структура покрытия - слоистая, из сильно деформированных частиц, соединенных между собой по контактным поверхностям, на которых произошло химическое взаимодействие.
Участки химического взаимодействия не заполняют всю площадь контакта между частицами и поверхностью подложки, а также между частицами внутри слоя покрытия. Прочность в зонах химического взаимодействия зависит от количества очагов схватывания, образовавшихся на площади пятна и представляющих собой сварные участки небольшого размера. Очаги схватывания имеют высокую прочность на отрыв, и разрушение в них происходит с вырывом одного из соединяемых материалов. Они возникают во время удара, деформации и затвердевания частицы, а их количество определяется уровнем химического взаимодействия материалов в контакте.
При испытании на растяжение разрушение покрытия носит адгезионно-когезионный характер, т. е. покрытие отрывается от подложки с одновременным разрушением внутри слоя. Такие испытания называют испытаниями «на прочность сцепления».
Образование покрытия нагретыми дискретными частицами в атмосфере воздуха обусловливает появление пористости и многофазности напыляемого материала. Перегрев напыляемых частиц выше температуры плавления в инертной атмосфере повышает прочность их соединения с подложкой вследствие того, что при перегреве частиц повышается температура в зоне контакта частицы с подложкой, и процесс химического взаимодействия резко ускоряется. Уменьшение температуры нагрева частиц и одновременное увеличение их скорости при напылении на воздухе способствует уплотнению напыленных слоев при снижении количества оксидов и нитридов в покрытии. В данном случае потеря энергии активации за счет снижения температуры нагрева частиц в газовой струе восполняется переходом кинетической энергии в тепловую при торможении частиц о подложку.
Распределение массы напылямых частиц в любом поперечном сечении струи подчиняется нормальному закону распределения (рис. 2).
/
<0,8
\
0,6 \
\
0,4 \
0,2 '
/
-2р -Р ОХР —2р
Радиус струи
Рис. 2. Закон распределения массы
На Астраханском газоперерабатывающем заводе применяется метод высокоскоростного газотермического напыления для защиты от коррозии нижней части абсорберов (рис. 3).
Рис. 3. Схема абсорбера
На установках по сероочистке газа было решено нанести на рабочую поверхность абсорбера защитный слой.
Перед тем как приступить к напылению, необходимо демонтировать все внутренние конструкции, а также провести мероприятия по очистке поверхности.
Предварительная абразивно-струйная обработка. Призводится для активации поверхности, удаления продуктов окисления и придания ей нужной шероховатости. Поверхность детали, подвергаемая абразивноструйной обработке, должна иметь температуру не ниже комнатной. Шероховатость поверхности, получаемая после обработки, должна быть
Яг 30-60 мкм. Зона обработки должна быть на 10 ±5 мм больше зоны напыления. В качестве абразивного материала применяется электрокорунд нормальный марки 14А ГОСТ 28818-90 зернистостью 80 Н (0,5-1,0 мм). Возможно использование сухого чистого кварцевого песка аналогичной грануляции.
После проведения абразивно-струйной обработки производится осмотр поверхности на наличие дефектов, таких как острые кромки, трещины и места, труднодоступные для нанесения покрытия.
Чистовая абразивно-струйная обработка. Непосредственно перед процессом нанесения покрытия производится профилирование поверхности. Поверхность, подлежащая восстановлению, составляет примерно 60 м2. По технологическому процессу допускается перерыв между чистовой абразивно-струйной обработкой и нанесением покрытия не более трёх часов (при условии температуры окружающего воздуха не ниже 25 оС и влажности 70 % во избежание образования на обрабатываемой поверхности окисной пленки). Обработка поверхности производится фрагментами из расчёта 10-12 м2.
Антикоррозионноое покрытие состоит из трех слоев.
Первый слой. Основу всего покрытия составляет металлический слой, наносимый при помощи специального оборудования на нижнюю часть абсорбера путем высокоскоростного газотермического напыления. Процесс напыления полностью автоматизирован, т. к., работая, установка по нанесению покрытия разгоняет напыляемые частицы до сверхзвуковых скоростей (800-900 м/с) и создает высокий уровень шума, вредный для человека. Средняя толщина металлического слоя 0,25 мм. Марка напыляемого металлического порошка Х28Н10М5С1, сталь с высоким содержанием хрома и никеля обусловливает высокую коррозионную стойкость.
Серьезным недостатком покрытия, нанесенного газотермическим напылением является наличие большого количества сквозных пор 3 (рис. 4) с установленной величиной пористости 0,3 %, которая в свою очередь приводит к возникновению коррозии под покрытием 4 (рис. 4).
Рис. 4. Сечение двух полос покрытия:
1 - металл, подложка; 2 - металлическое покрытие; 3 - поры; 4 - зона отслаивания покрытия
После нанесения металлического покрытия появляется необходимость в закрытии пор, для того чтобы уменьшить вероятность появления подслойной коррозии. С этой целью на металлическое покрытие наносят полимерное покрытие из двух слоев.
Второй слой. Грунтовка двухкомпонентная на основе ВЛ-02 и кислотного отвердителя; наносится на первый слой и служит подготовительным слоем к третьему покрытию.
Третий слой. Трехкомпонентное полиуретановое покрытие на основе раствора куралона в метилэтилкетоне и полиуретановая композиция; наносится на грунтовку для закрытия пор металлического покрытия. Экспериментальными данными доказано, что после разъедания верхнего слоя полимерного покрытия оно продолжает выполнять свою функцию, оставаясь в порах.
Нанесение защитных покрытий позволило понизить скорость коррозии с 2,53 до 0,19 мм/год и выйти на проектную скорость коррозии.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Люблинский Е. Я. Что нужно знать о коррозии. - Л.: Лениздат, 1980. - 196 с.
2. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И. В. Семеновой. - М.: Физматлит, 2002. - 336 с.
3. Шевченко А. А. Химическое сопротивление неметаллических материалов и защита от коррозии. - М.: Химия, 2004. - 248 с.
4. Балдаев Л. Х. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. - М., 2004. - 134 с.
Получено 29.12.05
CORROSION IS FOUGHT BY METHOD OF HIGH SPEED GAS SPUTTERING
V. V. Mikityansky, R. Veles Parra, A. R. Veles-Pivovarov
The merits and drawbacks of the method, sort and structure of metal painting and ways of sputtering work surfaces have been considered. There has been given example of gas sputtering which took place on the Astrakhan gas processing plant to protect absorbing equipment from corrosion. Preliminary technological operations, the metal grade, composition and purpose of polymeric coating are given. Sputtering of protective coating helps to decrease corrosion from 2,53 to 0,19 mm/year, what corresponds to the design rate of corrosion.
