UJ
шши
КОРОЗШНИИ ЗАХИСТ СТАЛЕВИХ ЦИСТЕРН ДЛЯ ЗБЕР1ГАННЯ Р1ДКИХ РАД1ОАКТИВНИХ РЕЧОВИН НА ПЛАВУЧИХ СПОРУДАХ
Казимиренко Юлiя Олексивна
кандидат техшчних наук, доцент кафедри uamepianoeHaecmea i технологиuemanie Нацюнального ушверситету
кораблебудування iменi адмiрала Макарова
Експериментально доШджено мехашзми корозйного руйнування металоскляних електродугових покриттiв на основi Св-08Г2С i Св-АМг5 в умовах хiмiчно активних середовищ; показано доцшьшсть гх застосування для захисту сталевих цистерн, призначених для збериання радюактивних речовин.
Ключовi слова: рiдкi радюактивт вiдходи, плавучi споруди, сталевi цистерни, металосклят електродуговi покриття, корозшний захист.
CORROSION PROTECTION OF STEEL TANKS FOR LIQUID RADIOACTIVE SUBSTANCES STORAGE ON FLOATING FACILITIES
Kazymyrenko Y.O.
Associate Professor Department of Materials Science and Technology of Metals Dept Admiral Makarov National University of
Shipbuilding
There have been experimentally investigated mechanisms of corrosive destruction of metal-glass electric-arc coatings based on Sv-08G2S and Sv-AMg5 in conditions of chemically active environment; shown the expediency of their application for protection of steel tanks for the radioactive substances storage.
Keywords: liquid radioactive wastes, floating facilities, steel tanks, metal-glass electric-arc coating, corrosion protection.
Постановка проблеми. Сучасний досввд перевезення радюактивних речовин водним транспортом, виконання тдводних робгг, пов'язаних з тдйомом радюактивних ввд-ходiв з морського дна передбачае експлуатацш спецiалiзо-ваних суден та плавучих споруд як пункпв перевантаження та тимчасового збериання. До рвдких радюактивних ввд-ходiв (РРВ) ввдносяться реакторш та слчш води, мастила, емульсп, яш накопичуються на атомних електростанщях, оборонних, хiмiчних та горно-хiмiчних комбшатах, об'ек-тах пвдводно! техшки, в медичних та науково-дослвдниць-ких закладах, ввдходи радiохiмiчних та бiофiзичних лабора-торш, продукти забруднення (микта засоби, морська вода, корозшш осадки апаратури вантажних систем). Бшьшють з них мають складний радюнуклвдний та хiмiчний склад [1, 2]. В основному це радюнуклвди 137Сз, 134Сз, 908г, 60Со; нерадю-активш солi з концентрацiею до 32 г/л; технолопчш розчи-ни, яю мiстять сумiшi радiоактивних iзотопiв солей, рiзних елементiв та кислот; нафтопродукти з концентращею 70...90 мг/м3;. Транспортування РРВ в цистернах супроводжуеться корозшними пошкодженнями, якi в поеднаннi з радюак-тивнiстю вантажiв, що перевозяться, можуть призвести до утворення крихких трщин; руйнiвноl дil надають й дезак-тивацiйнi розчини, якi мктять розчини кислот [3, 4]. Тому забезпечення корозшного захисту е важливим техноло-гiчним завданням, вирiшення якого пов'язане з визначен-ням методу захисту, вибором матерiалiв, дослiдженнями 1х пошкоджуваностi, розробкою профiлактичних заходiв.
Аналiз останнiх дослiджень та публiкацiй. Для збериання РРВ на плавучих спорудах застосовують вкладнi цилiн-дричш сталевi цистерни, виготовленi з легованих нержавш-чих сталей аустенiтного класу (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т) або низьколегованих сталей (зокрема 09Г2С). Для створення радюактивного захисту вкладш сталевi цистерни оточують бетонною заливкою та зовшшшм корпусом iз плаковано! сталi (рис. 1) [5]. Шд час експлуатацil корпус цистерн пщлягае активним корозiйним процесам та стае джерелом вторинного рентгешвського випромi-нювання [6]. Сучасний досвiд захисту ввд хiмiчноl корозil суднових цистерн, виготовлених з вуглецевих та легованих сталей, включае застосування технологш гумування, нане-сення лакофарбових та епоксидних покритв, електроду-гово! металiзацil [7-9]. В роботi [10] показаш перспективи застосування металоскляних електродугових покритлв для захисту конструкцiй в умовах юшзуючих випромiнювань. Це композицп на основi зварювальних цiльнотягнутих дротав марок Св-08Г2С та Св-АМг5, наповнених порожнь ми скляними мiкросферами, порошками кришталевого (на-трiйсилiкатного), свiнцевомiсткого скла; споаб та режими нанесення покритлв наведенi в роботi [11]. У ж^внянш з лакофарбовими покриттями, напилеш покриття мають бiльш високу адгезш до поверхнi, що захищаеться, мщшсть та стiйкiсть до механiчних пошкоджень, вiдсутнiсть про-цесiв старiння, яю характернi для полiмерiв. Однак корозш-на стiйкiсть металоскляних електродугових покритв зали-шаеться недослiдженою.
16
© Казимиренко Ю. О., 2016
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016
А-А
Рис. 1. Конструкщя бюлопчного захисту на плавучш спорудо: 1 - подвшний борт; 2 - кришка; 3 - зовнiшнiй корпус конструкцп (iз плаковано! сталi); 4 - бетонна заливка; 5 - сталева цистерна; 6 - РРВ; 7 - подвшне дно
Мета роботи - встановити мехашзми руйнування мета-лоскляних електродугових покриттiв на основi Св-08Г2С i Св-АМг5 в умовах хiмiчно активних серецовищ та визна-чити перспективи !х застосування для захисту сталевих цистерн, призначених для збер^ання рщких рацiоактивних вiцхоцiв.
Виклад основного матерiалу. Досягнення поставлено! мети пов'язано з експериментальними дослщженнями ко-розiйноi стiйкостi, для проведення яких обрано зразки ме-талоскляних електродугових покритлв на основi Св-08Г2С i Св-АМг5, наповнених порожнiми скляними мжросферами натрiйборсиликатного складу, порошками кришталевого (натршсилжатного), свiнцевомiсткого скла, отриманих ме-хашчним зцрiбненням побутових вiцхоцiв; об'емний вм^т скла у склацi композицiй - 35±7 %. Металосклянi покриття товщиною 2 мм з одного боку нанесет на сталеву пiцклацку iз Ст3 розмiром 140 х 100 х 1,5 мм. Для дослщжень вико-ристанi попередньо опромiненi у-променями Со60 зразки [10]. В якост хiмiчно активних середовищ обранi 20% водш розчини соляно! (НС1), арчано! (Н2804) та азотно! (НМ03) кислот, яю найчастiше входять до складу розчишв для де-
зактивацii; час витримки при температурi 18 ± 2 °С склав 72, 240 та 840 годин (ввдповвдно 3, 10 та 35 доб). Вiдмiчено, що ознаки корозiйних пошкоджень з'явилися протягом перших десяти цiб з моменту !х повного занурення в рщке агресив-не середовище. В якосл критерiю обрано структурнi змши та швицкiсть поширення корозii за формулою (1) [12], для визначення яко! застосовано результати вимiрювання маси, яку визначали на аналиичних вагах ОК. 200. т„ - т
К =■
Б-т
, [г/м2-ч]
(1),
де т0 - маса зразка до випробування, г; т - маса зраз-ка тсля витримки в корозiйному серецовищi та видалення продукта корозii, г; 8 - площа зразка, м2, т - час, ч.
Дослiцження структурних змiн зцiйснювалися за допом-огою метоцiв оптично! металографii та рентгеноструктурно-го аналiзу, якi виконанi ввдповщно за допомогою оптичного мiкроскопу БИОЛАМ-И та рентгешвського дифрактометра ДРОН-3.
Динамжа пошкоцжуваностi опромiнених зразкiв ха-рактеризуеться позитивною змiною маси на першому етапi (протягом 10 цiб), що пов'язано з розпадом продукта ко-
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016
розп на пошкоджених дшянках. За результатами рентгено-структурного аналiзу встановлено, що пухш продукти корозп мають явну структуру, яка була успадкована вщ шару покриття. Протягом останнього термшу ввдбуваеться втра-та маси: у середньому протягом 840 годин зразки втратили в маа 30...40%. Найбшьш активне руйнування для покриттiв
на основi Св-08Г2С спостерiгалося в середовищi 20% НМ03, максимальна втрата маси склала близько 85%. При тривалш витримщ в агресивних середовищах зразки електродугових покритв характеризуються вiд'емною змiною маси (табл. 1) з кожного мШметра площi К' = (ш-ш)/8 [г/мм2].
Таблиця 1
Змiна маси зразкiв при витримщ в рiзних агресивних середовищах
Вид захисного шару Кшх104 за 72 години, г/мм2 Кш х104 за 240 годин, г/мм2 Кш х104 за 840 годин, г/мм2
НС1 Н^04 НN03 НС1 Н2^04 НN03 НС1 Н2^04 НШ3
Св08Г2С -2,7 -3,6 -2,7 +0,2 -11,4 +0,89 -13,0 -22,0 -22,3
Св08Г2С-скло -3,3 -4,9 -3,5 +0,4 -7,8 +0,76 -18,0 -27,8 -24,5
СвАМг5 -1,2 -1,9 -1,1 -0,74 -6,5 +2,6 -7,7 -14,3 -14,3
СвАМг5-скло -0,8 -0,9 -0,5 -0,6 +0,04 +0,07 -8,8 -2,8 -8,6
Обробка статистичних даних експерименту довела, що результат експериментальних дослвджень встановлено на-
хiмiчний склад скляних включень не впливае на корозiй- ступний мехашзм пошкоджуваностi покриттiв: проникаю-
ну пошкоджувашсть зразкiв. До випробувань структура чи в пористий шар електродугового покриття, розчини кис-
металоскляних електродугових покритв являла собою лот викликають хiмiчну корозiю матерiалу матрицi; хiмiчноl
вiдповiдно сталеву або алюмiнiеву матрицю з рiвномiрно деструкцп скляних включень не спостер^аеться, руйнуван-
розташованими скляними включеннями. Проникненню ня металево1 матрищ призводить до викришування на окре-
агресивних середовищ вглиб товщини покриттав до основ- мих локальних дшянках (рис.2). Встановлено, що швидюсть
ного метала сприяе пориста структура: порислсть зразюв розповсюдження корозiйних процесiв на основi Св-АМг5
пiсля опромiнення становить майже 25 %. Таким чином, в на 35...40 % нижче, шж в покриттях на основi Св-08Г2С.
Рис. 2. Топографiя поверхш опромiнених металоскляних електродугових покриттiв (х150) пiсля витримки в агресивних середовищах: а - покриття композицп Св-08Г2С-скло (20%НМ03, витримка 840 год, поверхнева швидюсть розповсюдження корозп 2,9 г/м2-ч); б - покриття композицп Св-АМг5-скло (20% Н2804, витримка 840 год, поверхнева швидюсть розповсюдження корозп 3,3 г/м2^ч)
Вплив скляних включень на мехашзм корозшного наповнених покритв iз Св-08Г2С i Св-АМг5 (табл. 2). пошкодження металоскляних електродугових покритв Встановлено, що скляш включення перешкоджають руйну-визначено за результатами порiвняльних випробувань не- ванню матерiалу матрищ.
Таблиця 2
Поверхнева швидюсть розповсюдження корозil у ненаповнених електродугових покриттях
Покриття Поверхнева швидкiсть розповсюдження корозп, Кш, г/м2^год
20%НС1 20% Н2804 20%НШ3
Св-08Г2С 1,5 2,62 2,65
Св-АМг5 0,91 1,7 1,7
LIB
шши
Ефектившсть застосування металоскляних покриттав для захисту сталевих поверхонь пвдтверджуеться результа-
Нанесення металоскляних покриттiв на поверхню Ст3 захищае !! вiц корозшного руйнування у розчинах кислот: проведет мжроструктурш цослiцження довели, що тсля зчищення корозiйного осаду сталева поверхня залишаеться непошкодженою. Оцiнювання хiмiчноi стшкосп металiв за десятибальною шкалою (ГОСТ 5272-90) дозволяе ввднести металосклянi електродуговi покриття на основi Св-08Г2С i Св-АМг5 до нестiйких. Однак з шшого боку вони викону-ють роль цифузiйного бар'еру: продукт корозп утримуеться на поверхнi Ст3, перешкоджаючи доступ корозiйному сере-довищу та гальмуе процес руйнування основного металу. В процеа дезактивацп зруйнований шар покриття може бути зчищеним та при ремонтно-ввдновлювальних роботах нанесений знов.
тами корозшних випробувань (табл. 3) опромшених зразкiв Ст3, умови опромiнення наведено в робот [10].
Таблиця 3
Зниження ймовiрностi корозiйних пошкоджень покрит-тiв можливе шляхом додаткового просочення рвдким склом (ГОСТ 13078-81), що являе собою водний розчин силжапв натрiю Na2O(SiO2)n або калiю K2O(SiO2)n. Застосування рвд-кого скла у хiмiчному виробництвi пояснюеться його ви-сокою лужнiстю i колоiдно-хiмiчними властивостями [13]. Одним з найважливших властивостей рвдкого скла е в'яз-ка консистенщя та здатнiсть до самозастигання на повггр^ в,язкiсть становить 1 Пз та регулюеться шляхом змшування силiкатного розчину з водою. Покриття з рвдкого скла мо-жуть наноситися щггкою, краскопультом або просоченням. Проникаючи, рiдке скло заповнюе пори в приповерхневому шарi металоскляних електродугових покриттав (рис. 3), бло-куючи подальше проникнення агресивних середовищ.
Корозшна пошкоджуванiсть опромiнених пластин Ст3
Середовище
Топографiя поверхнi
Характеристика корозiйного руйнування
20% HCl
х 150 (840 годин)
Шттшгова корозiя з явно вираженими виразками сферично! форми розмiром 50...150 мкм
20% H2SO4
х 150 (840 годин)
Пошкоджувашсть ввдбуваеться з ут-воренням на поверхш пухкого осаду аро-зеленого кольору. Глибина пошкодження становить 30...40 мкм.
20%HNO
х 150 (840 годин)
Характерш локальнi дiлянки пошкоджень у виглядi плям розмiром 0,3...0,5 мм, в окремих м^цях спостерiгаеться вiдшарування плям разом з продуктами корозп. Поверхня мае буро-зелений ввдтшок без металевого блиску.
Рис. 3. Топографiя поверхш (х 350) електродугового покриття композицп Св-08Г2С -порожнi скляш мжросфери, до-
датково обробленi рвдким склом
Таким чином, шар металоскляного покриття на 0CH0Bi Св-08Г2С i Св-АМг5 товщиною 2 мм не тшьки на 28...56 % послаблюе дiю у-випромшювань Со60 [10], але й захищае внутрiшню поверхню судново! цистерни (рис.1) вiд корозш-ного руйнування. Перевагами електродугового напилення в умовах суднобущвного виробництва е простота, техно-логiчнiсть, вiдсутнiсть обмежень щодо вимог, якi пред'яв-ляються до габаритiв та конфiгурацiй конструкцш, висока продуктивнiсть та можливiсть виконувати роботи на ввд-критих дшянках [9]. Отриманi в роботi результати слвд ви-користовувати для розробки практичних рекомендацш та враховувати при ощнюванш технiчного стану ще на стади проектування плавучих споруд, для чого мжроструктури зразкiв металоскляних покриттав та конструкцiйних сталей до та тсля витримки у агресивних середовищах зано-сяться до шформацшно-пошуково! системи «PROTECTIVE COATINGS DATA», основним елементом яко! е шформацш-но-пошуковий масив документально-фактографiчного типу [14]. До бази даних також заносяться умови проведення екс-перименлв, технологiчнi режими напилення та тдготовки поверхнi. Електронна форма подання даних дозволяе порiв-нювати властивостi одних й тих самих матерiалiв до та тсля випробувань, iнформацiя про якi вводиться адмшстрато-
ром до таблиць. Накладання мжро структур дозволяе зро-бити висновки щодо появи та розповсюдження дефектав, встановити тип корозiйного пошкодження та надасть мож-ливiсть прогнозувати властивосл конструкцiй.
Висновки та пропозицп.
1. Встановлено мехашзми корозiйних руйнувань опромь нених у-променями Со60 металоскляних електродугових покритав в умовах витримки (до 840 годин) у 20% розчи-нах HCl, H2SO4, HNO3: проникаючи у пористий шар електродугового покриття, розчини кислот викликають хiмiч-ну корозiю матерiалу матрицi, швидюсть поширення яко! становить 0,9...3,3 г/м2-м. Продукти корозй' утримуються на поверхш Ст3, перешкоджаючи доступ корозiйному середо-вищу, i гальмують процес руйнування основного металу.
2. Додатковим способом захисту поверхш металоскляних електродугових покритпв е просочення рвдким склом, що заповнюе пори в поверхневому шар^ i тим самим блокуе подальше проникнення агресивних середовищ.
Результати дослвджень далi використовуються для розробки практичних рекомендацш щодо захисту цистерн, призначених для перевезення та збер^ання радюактивних речовин, та проектування конструкцш бюлопчного захисту спецiалiзованих суден.
Список лггератури:
1. Ерофеев, В. А. Дезактивация жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности с повышенной концентрацией нефтепродуктов и солесодержанием: [монография] / В. А. Ерофеев, Н. И. Черкашина // Збiрник наук. праць СНУЯЕ та П. - 2009. - Вып. 1 (29). - С. 69 -74.
2. Иваненко, В. И. Сорбционная технология дезактивации радиоактивных отходов с повышенным солесодержанием и перспективы ее использования для реабилитации загрязненных территорий / В. И. Иваненко // Химия в интересах устойчивого развития. - 2006. - Т. 14. - № 2. - С. 133 - 139.
3. Мясоедова, Г. В. Сорбционное концентрирование и разделение радионуклидов с использованием комплексообразу-ющих сорбентов / Г. В. Мясоедова // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). - 2005. - т. XLIX. - № 2. - С. 72 - 75.
4. Полуэктов, П. П. Научные подходы и технические решения в области обращения с жидкими высокоактивными отходами / П. П. Полуэктов, Л. П. Суханов, Ю. И. Матюнин // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общеста им. Д. И. Менделеева). - 2005. - Т. XLIX. - № 4. - С. 29 - 41.
5. Стратегические подходы к решению экологических проблем, связанных с выведением из эксплуатации объектов атомного флота на северо-западе России: [монография ] / [С. В. Антипов, Р. В. Арутюнян, Л. А. Большов и др.] - Ин-т проблем безопасного развития атомной энергетики РАН : - М. :Наука, 2010. - 346 с.
6.Was, G. Fundamentals of radiation materials science / G. Was. Berlin: Springer. 2007. - 546 p.
7. Семенова, И. В. Коррозия и защита от коррозии [для студентов вузов: 2-е изд.] / И. В. Семенова, Г. М. Флорианович, А. В. Хорошилов. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.
8. Стальниченко, О. И. Материаловедение и технология металлов: [учебник для вузов] / О. И. Стальниченко. - К. : Вища школа, Головное изд-во, 1986. - 285 с.
9. Горбонос, В. А. Защита от коррозии корпуса судов, балластных танков и систем / В. А. Горбонос // Вологодинские чтения. - 2010. - Вып. 78. - С. 141 - 148.
10. Kazimirenko, Y. A. Radiation resistange of metal-glass coatings for floating composite structures / Y. A. Kazimirenko, V. V. Schlapatskaya // Shipbulding & marine infracture. 2015 № 1(3). - Р. 111 - 121.
11. Формирование ультрадисперсной структуры в композиционных электродуговых покрытиях, наполненных полыми стеклянными микросферами [Электронный ресурс] / Ю. А. Казимиренко, А. А. Карпеченко, А. А. Жданов [и др.] // «Вюник Нацюнального ушверситету кораблебудування». - Микола!'в: НУК, 2012, № 3. - Режим доступу до журналу: http: // ev.nuos. edu.ua
12. Воробьева, Г. А. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах [3 изд.] / Г. А. Воробьева. - М. : Химия, 1975. - 816 с.
13. Гришина, А. Н. Структурообразование и свойства композиции «жидкое стекло - хлорид бария» для изготовления радиационно-защитных строительных материалов / А. Н. Гришина, Е. В. Королев // Научный вестник Воронежского ГАСУ «Строительство и арматура». - 2009. - № 4 (16). - С. 70 -77.
14. Казимиренко, Ю. А. Информационная поддержка оценки технического состояния конструкций судов и плавучих сооружений / Ю. А. Казимиренко, Т. А. Фарионова // Управлшня розвитком складних систем. Збiрник наукових праць. -Кшв: КНУБА. - 2015. - № 12. - С. 111 - 117
MEASURING SYSTEMS APPLICATION ANALYSIS IN RAILWAY INDUSTRY
A.P. Baiduk, M.I. Kovalev, J.S. Ermakova
Measurement System Analysis in the sector of railway engineering is performed using the following methods: variance analysis; ranges; average and range method. A number of experiments for measuring systems are carried out with coordinate measuring machines ACCURA MASS 16/24/14 and a digital caliper. The results obtained are of universal character; and the methodology described can be applied to other measuring systems.
Keywords: measuring piston; measurement process; coordinate measurement machine; average and range method; repeatability; reproducibility; analysis of variance (ANOVA); range method.
Improving the quality and competitiveness of products and satisfaction of customers are an important and urgent task for the industrial enterprises in the conditions of contemporary market economy. MSA (Measurement System Analysis) is widespread in the quality management systems (QMS) of the railway industry and is one of the basic techniques required when introducing ISO 9001-2015 standard requirements: "Quality Management System. Requirements" par. 8.2 "Monitoring and measurement"; Russian National Standard ISO / TS 169492009 "Quality Management Systems. Particular requirements for the application" par. 7.6.1 "Analysis of measuring systems" and the IRIS "International Railway Industry Standard" par. 8.2 "Measurement and analysis of the data". IRIS is the international standard for the railway industry based on the universal standard for the ISO 9001 quality management system. The importance of MSA application in the industry is forced by the necessity to increase customer satisfaction by improving the product quality.
One of the ISO 9000 methods is the fact-based decision-making. To make a decision, first you must gather facts (accurate information). Monitoring, measurement and analysis are used for this purpose. However, information derived from these processes is not always objective and accurate for various reasons, and the use of inaccurate information leads to wrong decisions. Thus, the normal functioning of the QMS, within the framework of ISO/TS 16949, is possible only provided data repeatability. Modern measurement processes are based on complex measuring technology. Traditional approach to assess its validity and creditability is inapplicable to it. New measuring equipment purchasing and its introduction to manufacturing must be accompanied by specific measurement processes surveys. That is when MSA is of use. MSA is a collection of experiments and statistical methods applied for measurement results validity assessment. [1].
Measurement System Analysis is a method designed to prove validity and applicability of measuring systems using quantification of their characteristics. Measurement System (MS) is a set of instruments or tools, standards, operations, methods, fixtures, software, personnel, environment and assumptions used to quantify a measurement unit or fix assessment to the feature characteristic being measured; it is also the complete process used to obtain measurements [2].
The analyzes of the measuring systems carried out in this article uses coordinate measuring machines (CMMs) of ACCURA MASS 16/24/14 and a digital caliper. This CMM has robust design due to the granite table and rigid structure of portal made of a heat-stable composite material. All axes are equipped with 4-sided air bearings; and the X and Y-axis guides are completely closed from the drive side. Caliper is a universal tool designed for high-precision measurements of external and internal dimensions, as well as of hole depths. Caliper is one of the most common tools of measurement due to its simple design, ease and speed of use [3].
The present study is conducted at an industrial enterprise of railway locomotive production. The enterprise is a manufacturing complex with significant technical and scientific potential, qualified personnel, extensive experience in effective cooperation of industry with science. It also provides a unique opportunity to create a completely new locomotive from design development to high-quality high-end certified mass production.
Measuring systems analysis begins with its purpose and measurement process understanding. All sources of chaotic information and unacceptable errors should be eliminated. The study follows Deming concepts:
- to determine the major error sources and to eliminate them;
- to allow one or more factors to change;
- to measure several times;
- to analyze actions results.
© Baiduk A. P., Kovalev M. I., Ermakova J. S., 2016
21