CC BY
65
УДК 620.382.2
Г. С. Дьяконов, Л. Э. Осипова, Э. Ш. Теляков
ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ СЕРНОКИСЛОТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Ключевые слова: промышленная безопасность, композитные материалы, химическая стойкость, скорость деструкции,
ресурс работоспособности.
Обобщены результаты исследований по определению ресурса изделий, изготовленных из стеклопластика марки АКПЭС-9100, предназначенных для работы в сернокислотных производствах. Определены значения параметров уравнения кинетики, характеризующего реакционный процесс деструкции композита АКПЭС-9100 в лабораторных и производственных условиях. Определены физико-механические характеристики композиционного материала. Обсужден опыт эксплуатации материала в производственных условиях.
Keywords: industrial safety, composite materials, chemical resistance, speed degradation, resource efficiency.
The results of studies to determine the resource products made from fiberglass brand AKPES-9100, designed for use in sulfuric acid production. The values of the parameters of the kinetic equations characterizing the reaction process of degradation of the composite AKPES-9100 in laboratory and industrial conditions. Defined physical and mechanical properties of the composite material. Discussed the experience of operating the material in a production environment.
Введение
повышения ресурса, надежности, и ремонтопригодности
Проблема безотказности технологического оборудования является весьма актуальной для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. Во многом рассматриваемая проблема смыкается с задачей выбора конструкционных материалов и способов антикоррозионной защиты оборудования.
Традиционная система защиты оборудования от коррозии до сегодняшнего дня остаётся одной из самых технически трудоёмких, уязвимых с точки зрения аварийности и безопасности, и, к сожалению, -далеко не самой эффективной.
Одним из эффективных направлений решения данной проблемы, широко используемым в мировой практике, является внедрение полимерных композитных материалов с узкой дифференциацией изделий по условиям эксплуатации конкретных производств. Производство композитных материалов (КМ) в последние 20-30 лет развивалось очень интенсивно, но темпы внедрения данных материалов в отечественную промышленность совершенно недостаточны, что определено целым рядом объективных причин. Необходимым условием для внедрения новых материалов является объективная оценка их химической стойкости, безопасности и ресурса в соответствии с действующими нормативными документами. При этом появляется необходимость проведения специальных
исследований коррозионной устойчивости КМ, используемых для создания химстойкого слоя, в конкретной рабочей среде, а также физико-механических характеристик композитов с учетом технологии изготовления изделия для расчета его несущей способности.
Перспективы внедрения КМ в производстве серной кислоты
Конструктивно изделия из стеклопластиков обычно выполняются в виде многослойного ламината. При этом различные слои могут выполняться из
разных смол и (или) разных армирующих наполнителей. При этом внутренний слой обычно выполняет функции антикоррозионного барьера между агрессивной средой и несущей частью конструкции. Следующий слой выполняется из смол химически менее стойких, но с лучшими физико-механическими свойствами или более дешевых. Наконец может применяться и третий (наружный) слой ламината, обладающий, например, повышенными огнезащитными свойствами. Применение КМ в машинах, оборудовании и сооружениях позволяет снизить массу конструкций в 1,3^1,8 раза, материалоёмкость в 1,6^3,5 раза, энергоёмкость производства (в части изготовления оборудования) в 8^10 раз, трудоёмкость изготовления в 1,5^3 раза. Весьма существенным преимуществом КМ в сравнении с другими материалами является резкое снижение интенсивности процессов коррозии, и соответственно - увеличение ресурса эксплуатации в 1,5^3 раза [Н3].
Анализируя свойства химстойких связующих, следует выделить семейство винилэфирных и бисфенольных полиэфирных смол Norpol Dion. Смолы этой группы наряду с высокой химической стойкостью обеспечивают и повышенную безопасность при производстве и эксплуатации технологических изделий на их основе, поскольку они содержат добавки, снижающие на 90% выделение стирола в процессе полимеризации смолы. Каждая из групп смол Norpol Dion имеет специфические свойства, делающие их пригодными для производства широкого спектра полимерных КМ различного назначения [4].
В частности, КМ на основе смолы марки Norpol Dion - 9100 обладают очень привлекательными характеристиками применительно к условиям сернокислотных производств, характеризующихся воздействием на оборудование сернистого газа и серного ангидрида. Особенностью данного материала является наличие в составе композита большого количества связующего (до 80 % по массе и до 75 % по объёму). Действующий в настоящее время в
Российской Федерации стандарт на проведение испытаний химической стойкости полимеров [5] даёт только качественную оценку химической стойкости, используя для оценки условную трехбалльную шкалу: «хорошая», «удовлетворительная» и «плохая». В качестве критерия оценки при этом выступает величина относительного изменения массы (как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения), а также изменение прочностных характеристик материала за период испытаний. Данный подход не позволяет проводить прогнозирование срока службы материала и изделия. В связи с этим действующий норматив является необходимым, но совершенно недостаточным для выработки рекомендаций по внедрению химстойких КМ в индустриальную практику.
Производство серной кислоты характеризуется высокой потенциальной опасностью и достаточно высокой вероятностью возникновения аварийных ситуаций, как в условиях эксплуатации производства, так и при проведении ремонтных работ. Одной из основных причин, обуславливающих высокую потенциальную опасность сернокислотного производства, является обращение в технологическом процессе большого количества высоко агрессивных веществ (Н28, 802, 803, 1\1Н3, Н2804, ЫаОН, КОН, ЫН4ОН), а также недостаточная химическая стойкость материалов, из которых изготовлены элементы оборудования. В условиях одновременного воздействия агрессивных сред и высоких температур надёжность применяемых материалов и традиционных методов защиты от коррозии невелика.
Для газоходов действующих сернокислотных установок нормативный срок службы не превышает 5 лет, а ресурс традиционных конструкционных материалов лежит в пределах от 2 до 4 лет. Однако, даже в течение этого короткого срока эксплуатации производится ежегодный ремонт газоходов, во время которого проводится наружный ремонт металлоконструкций и восстанавливается слой внутренней антикоррозионной защиты
(кислотоупорной кладки). Ремонтные работы, проводящиеся внутри газохода, относятся к работам повышенной трудоёмкости и опасности прежде всего потому, что они проходят в крайне стеснённых условиях внутренней полости конструкции.
Проблему предупреждения коррозионного разрушения оборудования и обеспечения безопасности химических производств целесообразно решать путем проведения реконструкции действующих объектов с использованием композитных материалов, способных противостоять воздействию агрессивных сред. Особенно перспективно использование КМ при замене транспортных коммуникаций и, в частности, -газоходов. Однако ресурс изделий, изготовленных из данного материала, нуждается в специальном обосновании.
Следует также отметить и механические особенности работы изделий, изготовленных из композитных материалов. Распределение напряжений в конструкциях из КМ определяется помимо условий нагружения и исполнительных размеров также
характеристиками самого материала и технологией изготовления изделия (ориентация армирующего волокна, угол намотки стеклоровинга, число слоев намотки, тип наполнителя и связующего и т.д.). При этом приходится принимать во внимание и динамические процессы, которые происходят со смесью в процессе изготовления и отверждения изделия. Все эти обстоятельства обязательно должны учитываться при конструировании изделий.
Эксплуатационный ресурс оборудования, изготовленного из смол марки Norpol Dion, для условий сернокислотных производств
Процесс коррозионного износа исследуемых конструкций (газоходов) протекает в гетерофазной системе, в которой активные реагенты (сернистые соединения) присутствуют в газовой фазе, а сам процесс химической деструкции композита протекает на поверхности или в объеме тела изделия. Реакционный процесс начинается в так называемых «центрах реакции», а затем может распространяться на весь объем тела. Объемный вариант развития коррозионного процесса представляется более опасным. В то же время результаты исследования коррозионных процессов [6] дают основания считать, что коррозионные процессы в рассматриваемом случае локализуются на поверхности раздела фаз (топохими-ческая реакция) [7,8]. При этом продукты реакции, образующиеся на поверхности изделия, в физическом отношении характеризуются рыхлой структурой, и в реальных условиях эксплуатации они будут уноситься с поверхности движущимся газовым потоком, не препятствуя дальнейшему развитию деструктивного процесса. Это утверждение тем более обосновано, что для рассматриваемого производства характерно наличие в газовом потоке заметного количества абразивных частиц. Тем не менее, пренебрегать вариантом объемного развития коррозионных процессов представляется некорректным.
Напряженно-деформированное состояние твердого тела, увеличивает скорость химических реакций деструкции (коррозии) [8], однако в рассматриваемом случае механохимическими реакциями представляется возможным пренебречь, поскольку все виды напряжений (сжатие, изгиб, термические напряжения) в исследуемой конструкции оказываются пренебрежимо малыми.
Таким образом, в рассматриваемом случае для описания скорости развития деструктивных процессов и для оценки ресурса работоспособности газоходов представляется возможным использование подхода формальной кинетики химических превращений. В качестве показателя скорости химической деструкции в образцах стеклопластика целесообразно использовать общепринятый критерий потери общей массы образцов в процессе испытаний (при условии удаления продуктов коррозии с поверхности образцов перед измерениями).
Одновременно ставилась задача исследования химической устойчивости к воздействию сернистого газа как смолы Norpol Dion-9100 в отверждённом состоянии, так и стеклопластика на её основе АК-ПЭС - 9100. Для этой цели были проведены два вида
испытаний: форсированные (проводились в лабораторных условиях) и натурные (проводились на действующей установке) [6]. Продолжительность форсированных испытаний составляла 504 часа, причем через 144 и 336 часов проводился промежуточный анализ коррозионных явлений и измерение физико-механических свойств образцов.
Качественный анализ результатов исследования коррозионных процессов показал, что снижение массы в процессе испытаний наблюдалось для всех групп образцов. При этом снижение массы образцов и из смолы, и из стеклопластика заметно интенсифицировалось с ростом температуры испытаний, что говорит о наличии выраженной температурной зависимости скорости развития коррозионных процессов в исследованном материале. Так потеря массы образцов из смолы за весь период форсированных испытаний (504 часа) составила 0,126% при 120°С и 0,252% при 150°С, для стеклопластика АКПЭС-9100 эти показатели почти в два раза меньше: 0,06% при 120°С и 0,15% при 150°С. Это говорит о положительном влиянии стеклоармирующего наполнителя на химическую стойкость стеклопластика. Однако при этом необходимо учитывать, что в стеклопластике масса активного вещества, участвующего в реакции деструкции, составляет только часть от общей массы образца. Действительно, в стеклопластике значительная часть объема занята химически стойким наполнителем (стеклом). Визуальные наблюдения показали при этом, что в исследуемом стеклопластике коррозионные процессы в основном локализировались на поверхности образцов, активного распространения коррозии в объеме образцов не наблюдалось. В частности, при принятых условиях объемное потемнение образцов практически не наблюдалось. Очевидно, использованная технология изготовления стеклопластика обеспечивала хорошую адгезию между наполнителем и связующим, что и обуславливало, во-первых, рост химической стойкости стеклопластика в сравнении с чистой смолой, а во-вторых, - стабильность границы раздела «наполнитель - связующее».
Натурные испытания химической стойкости стеклопластика в рабочей среде непосредственно на производственной установке при температурах 40^80°С [6] показали, что в отдельных случаях совокупное воздействие агрессивных кислых газов и повышенной температуры вызывало локальное потемнение образцов (появление темных пятен). По-видимому, это было связано с доокислением остаточного мономерного стирола, не прореагировавшего в процессе отверждения при изготовлении образцов. Следует отметить, что изменение цвета не приводило к снижению физико - механических показателей исследуемых образцов (показатели твёрдости материала, модулей упругости и пределов прочности, монолитности структуры материала) [6]. В целом натурные испытания подтвердили возможность использования АКПЭС - 9100 в условиях производства серной кислоты контактным способом для изготовления транспортных коробов и газоходов. При этом следует ожидать, что новые конструкции будут обладать существенно большей долговечностью и
работоспособностью в сравнении с традиционными материалами (винипласт, кислотоупорный кирпич). Обычная (регламентная) температура эксплуатации газоходов для транспортировки смеси сернистого газа и серного ангидрида составляет не более 80°С, поэтому принятые температурные условия лабораторных испытаний следует отнести к достаточно жёстким. Это позволяет вполне обосновано (с определенным запасом) проводить экстраполяцию результатов лабораторных исследований в область пониженных температур, соответствующих регламентным условиям работы изделий.
Наполнитель (стекло) в реакциях деструкции не участвует (реакция топохимическая). Поэтому концентрация связующего не должна оказывать непосредственного влияния на процесс коррозии. В то же время композит обладает определенной пористостью за счет захвата воздуха в процессе формования образцов (изделий). Это подтверждается тем, что фактическая плотность образцов, как из чистой смолы, так и из стеклопластика оказалась несколько ниже (примерно на 5%) от истинной (приведенной) плотности соответствующих материалов. Поэтому фактическая поверхность контакта, на которой могут протекать деструктивные процессы при воздействии агрессивной газовой фазы, за счет пористости образцов будет возрастать в сравнении с их внешней геометрической поверхностью.
Тогда в соответствии с формальной теорией химической кинетики скорость развития коррозионных процессов при допущении о поверхностном механизме коррозии в рассматриваемых условиях может быть описана уравнением:
М = Ат = К
™ V • с-р\Еуд • V )т ' (1)
где М - скорость коррозии (результат реакционного процесса), кг/(кг-час-м2); Ат- потеря массы образца, кг; V - объем образца, м3; с - концентрация реагирующего компонента в композиции; р - фактическая плотность материала образца, кг/м3; Гуд - удельная поверхность контакта фаз, м2/м3; т - продолжительность испытаний, час; К - константа скорости реакции, кг/(кг-час-м2).
Константа скорости химической реакции по определению не зависит от концентрации, но она должна учитывать влияние температуры на скорость процесса и зависеть от природы реагирующей системы. Эта связь в большинстве случаев определяется экспериментально. По современным представлениям:
К = А•ехр
(
Е
Л
Я^ Т
(2)
где А - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации для реагирующей системы, кДж/кг-моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(кг-моль-К); Т- температура, К.
Удельная поверхность контакта фаз ¥уд зависит от достаточно большого числа факторов: объемной концентрации связующего (или наполнителя), технологии изготовления изделия (влияет на степень адгезии между наполнителем и связующим) и т.д. В
первом приближении эта зависимость может быть представлена в виде степенной функции:
Руд = В • с", (3)
где В - константа, п - степенной показатель (константа).
Конечно, уравнения (1) ^ (3) в плане описания коррозионного процесса в композитных материалах являются достаточно грубым формальным приближением. Однако, при условии нахождения констант данных уравнений из эксперимента, они должны обеспечивать определенную точность выводов, поскольку сами по себе эти уравнения в достаточной мере учитывают природу произвольной реагирующей системы.
Нами для определения констант уравнений (1) ^ (3) были использованы результаты лабораторного эксперимента [6]. Для этой цели уравнения (1) ^ (3) при допущении об объемном механизме коррозии были представлены в виде:
Ат -г ( Е = А • ехр|- -
• с
(4)
V • р • с • т
где А - приведенная константа (А = А • В).
Проведя линеаризацию уравнения (4), получим:
(
1п
Ат
1п(А )—— + п • 1п(с)
(5)
т • V • р • с •т ) Я • Т
Уравнение (5) применимо к любой из экспериментальных точек, что позволяет описать весь массив экспериментальных данных системой характеристических уравнений:
¥1 = Вг Хи + В2 • X2,1 + В3 • ХЪл (6)
(
где Т = 1п
Ат,.
Л
Р •с,
берется из экспери-
мента; X, . — 1 (для всех точек); X =--1— и
Х3, = 1п(с,) также берутся из эксперимента.
В1 = 1п(А), В2 = Е и В3 = п - константы характеристических уравнений, которые могут быть определены, например, методом наименьших квадратов. Индекс , =1^к характеризует произвольную экспериментальную точку (к - общее число точек).
Число характеристических уравнений (6) равно числу экспериментальных точек (к), причем полная система уравнений (6) содержит 3 неизвестных: В1, В2 и В3.
Переизбыточная система уравнений (6) решалась методом наименьших квадратов. В результате решения при принятом значении универсальной газовой постоянной Я=8,31434 кДж/(кг-моль К) были определены искомые значения параметров уравнения кинетики,
Таблица 1 - Опытные значения констант
Механизм реакции Константы кинетического уравнения
А Е п
Объемный 1074±4 51470±4640 2,78±0,45
Поверхностный 261±4 50780±4650 1,6±0,45
Дисперсия разброса экспериментальных данных относительно обобщающих уравнений для сравниваемых механизмов реакции оказалась практически одинаковой (рис.1 и 2).
0,30 0,25 0,20
си
?; 0,15
0,10
0,05
0,00 0,00
0,10 0,20 Эксперимент
0,30
Рис. 1 - Сопоставление расчетных и экспериментальных данных (объемный механизм реакции)
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
0,00
< ♦
♦ ^
Л** ♦
0,00 0,10 0,20 Эксперимент
0,30
Рис. 2 - Сопоставление расчетных и экспериментальных данных (поверхностный механизм реакции)
Как видим, уравнения (1) и (2) удовлетворительно описывают развитие коррозионного процесса в исследованном материале. Испытания этих же материалов в натурных условиях на действующей установке проводилось в существенно более мягких условиях, соответствующих технологическому регламенту (рабочая температура до 80оС). В то же время необходимо отметить, что регламентом предусмотрена возможность кратковременного (до 30 минут) повышения температуры до 110оС.
Конечно, на самом деле процесс деструкции связующего протекает по существенно более сложному механизму [7,8]. Однако результаты проведенного исследования позволяют сделать определенные выводы. В частности, механизм поверхностной коррозии представляется более реалистичным, поскольку порядок реакции превышающий 2 (объемный механизм) в рамках формальной химической кинетики представляется сомнительным [7]. Следует также отметить, что испытания отдельного образца в очень жестких условиях натурных испытаний на действующем производстве (температура испытаний 260оС) показали скорость коррозии, намного превосходящую ту, которая следует из уравнения (5). Очевидно, это связано с изменением самого механизма химической деструкции при температурах, значительно превышающих условия испытаний. Поэтому результаты настоящего исследования могут распространяться только на рабочие температуры, не пре-
вышающие 150оС. В то же время использование результатов расчета по уравнению (3) при температурах (100^120) оС и ниже должно обеспечивать вполне достаточную достоверность результатов.
Следует отметить ещё один аспект практического влияния выбора механизма коррозии на конструкторские решения. При принятии поверхностного механизма коррозии запас на коррозию при проектировании газоходов, очевидно, должен рассчитываться только по внутренней поверхности конструкции, взаимодействующей с коррозионно активной средой. Соответственно, при принятии объемного механизма расчет должен проводиться по полной массе (полному объему) защитного слоя. Поскольку в условиях испытания коррозионному воздействию подвергалась полная поверхность образца, при принятии объемного механизма коррозии расчетная толщина антикоррозионного защитного слоя примерно удваивается. Расчеты показывают, что расчетный срок службы защитного слоя газоходов в сернокислотном производстве (не менее 20 лет) при принятии достаточно жестких условий эксплуатации (расчетная температура эксплуатации 110оС) обеспечивается при толщине защитного слоя 3 мм (поверхностный механизм коррозии) и при толщине 6,2 мм (объемный механизм).
Физико-механические свойства КМ на основе смолы марки Могро! 420 - М 750
Для изделий, имеющих форму оболочек вращения, что характерно для аппаратов химических отраслей промышленности, при расчете конструкций из КМ представляется возможным использование обычных расчетных уравнений, полученных для упруго-пластичных материалов (металлов) на основе теории оболочек, но с введением параметров, учитывающих особенности работы КМ. Для слабо нагруженных оболочек наиболее часто в качестве такого параметра принимается отношение модулей упругости сравниваемых материалов (металл - стеклопластик), характеризующих жесткость конструкции. В этом случае исполнительная толщина изделия принимается из условия [9-11]:
^ = ^с ^Еап/Е (7)
V / ^пл / пст
где 8 - расчетный размер конструкции, Е - модуль упругости материала, п - коэффициент запаса, индексы пл и ст характеризуют соответственно КМ и сталь.
Известно, что для цилиндрических тонкостенных оболочек вращения в случае их нагружения внутренним газовым давлением кольцевые напряжения в два раза превышают меридиональные. Поэтому для металлических конструкций во многих случаях прочность в продольном направлении оказывается чрезмерно завышенной. При использовании КМ появляется возможность формировать структуру материала таким образом, чтобы в окружном направлении количество армирующих волокон, определяющих прочность материала, было больше, чем в продольном. За счет этого удается достигать относительной равнопрочности конструкции в обоих направлениях.
При расчетах несущей способности конструкции толщина защитного слоя обычно не учитывается, т. е. этот слой выступает в качестве конструктивной прибавки на коррозию к расчетной толщине стенки изделия. Изделия из стеклопластиков имеют одну принципиальную особенность: компоненты композиционного материала соединяются друг с другом в процессе изготовления изделия, что в значительной мере и определяет условия работы изделия при нагружении. Большое влияние на прочностные свойства стеклопластика оказывают такие параметры технологического процесса формования, как постоянство соотношения долей смолы и наполнителя, степень пропитки материала связующим, степень уплотнения и отверждения композиции, величина захвата воздуха смолой в процессе изготовления изделия (например, намоткой).
Как показывают данные фирмы-изготовителя смол [4], в качестве материала силового несущего слоя целесообразно использовать стеклопластик на основе смолы марки №гро1 420-М 750. Данный материал относится к группе жестких конструкционных смол и характеризуется повышенными прочностными свойствами, но, к сожалению, - и пониженной химической стойкостью, в том числе и в среде сернистых соединений. Поэтому этот КМ может использоваться в качестве конструкционного материала только при условии наличия защитного коррози-онностойкого слоя. Однако сведения о физико-механических характеристиках несущего материала поставщик приводит в ограниченном объеме, причем эти данные получены при испытаниях образцов ла-мината толщиной только 5 мм и для некоторого закрепленного соотношения связующее - наполнитель. Этих данных также недостаточно для обоснованного проектирования изделий из рассматриваемых материалов, в связи с чем, было проведено исследование основных физико-механических свойств стеклопластика на основе смолы №гро1 420-М 750.
Задачами данного этапа исследования являлось:
1. Исследование влияния структуры и соотношения компонентов слоистого пластика с различным содержанием слоёв на его прочностные характеристики.
2. Экспериментальное исследование предельной несущей способности (разрушающего напряжения) пластиков различной толщины в различных условиях нагружения (растяжение, сжатие, изгиб).
3. Определение теплостойкости.
4. Определение ударной вязкости.
5. Определение твердости.
Методика проведения исследования (изготовление образцов, методы испытаний и обработки результатов) представлены в работах [12,13]. Основные результаты исследования сведены в таблицу 2.
Обращает на себя внимание выраженная зависимость основных физико-механических характеристик от структуры ламината. Так, пределы прочности ламината для всех схем нагружения с ростом числа слоев армирования сначала возрастают, а затем при достижении некоторого предела (12 слоев стекло-
ткани при общей толщине образца 15,1 мм) рассматриваемые характеристики начинают уменьшаться. Аналогичные зависимости характерны и для показателей модулей упругости и ударной вязкости. Представляется, что в данной области толщин создаются наиболее благоприятные условия для протекания экзотермического процесса отверждения связующего, что в свою очередь способствует получению качественной монолитной структуры композита.
Таблица 2 - Физико-механические характеристики стеклопластиков
Примечание: В обозначении структуры ламината первая цифра означает количество слоев стекломата М 601-450 (М), вторая цифра - количество слоев стеклоткани РТ-500 (Т)
Степень отверждения связующего, контролируемая по изменению поверхностной твердости композита, практически не зависит от структуры стеклопластика: значение поверхностной твёрдости образцов изменялось в достаточно узких пределах (от 173 до 183 МПа), что свидетельствует о высокой
степени полимеризации смолы в композиции. Температура теплостойкости образцов также изменялась незначительно (от 142 до 144°С), что говорит о способности материала сохранять свои механические свойства с ростом температуры вне зависимости от исполнительной толщины материала. Это можно объяснить тем, что данная характеристика в основном определяется свойствами связующего.
Как видим, по своим прочностным показателям изучаемый стеклопластик оказывается вполне конкурентоспособным с металлами. Ещё большие преимущества проявляются у стеклопластика в отношении удельных (отнесенных к плотности материала) характеристик, поскольку плотность КМ более чем в 5 раз меньше плотности стали и в 1,8 раз меньше чем плотность алюминия.
Эксплуатационный опыт промышленного использования КМ
Результаты настоящего исследования были использованы при проведении реконструкции элементов оборудования действующего сернокислотного производства. Реконструкция заключалась в замене существовавших газоходов между промывными башнями, изготовленных из традиционных материалов (стальной трубопровод диаметром 900 мм, футерованный изнутри кислотоупорным кирпичом толщиной 130 мм), на стеклопластиковые газоходы наружным диаметром 600 мм. Данное оборудование подвергается комплексному воздействию химически активных веществ (серная кислота, водяные пары, сернистый ангидрид и др.), находящихся при температурах до 100 оС, а также абразивному воздействию на внутренние поверхности оборудования твердых частиц. Реконструированные газоходы были выполнены в виде трехслойной конструкции, в которой внутренний защитный слой был изготовлен из хим-стойкого стеклопластика (связующее - смола Norpol Dion - 9100), силовой несущий слой - из стеклопластика на основе смолы Norpol 420 - М 750, а наружный слой - из огнестойкого КМ. Схематические чертежи реконструированного газохода представлены на рис. 3.
Суммарные ежегодные затраты на ремонт существовавшего газохода составляли 867,7 тысяч рублей. Замена газохода на новый позволила резко увеличить срок службы газохода (ориентировочно до 20) лет с обеспечением улучшенной ремонтопригодности конструкции. Стоимость нового газохода составила примерно 2500 тыс. рублей, включая в себя затраты на подготовку производства, осуществляемые однократно, и собственно затраты на изготовление газохода в сумме 600 тыс. рублей. Как видим, стоимость нового газохода (без учета затрат на организацию производства) даже меньше, чем затраты на ремонт существовавшего газохода. В целом суммарные затраты на разработку и внедрение стеклопла-стикового газохода были окуплены в течение первых 3 лет его эксплуатации.
Следует также отметить, что эксплуатация нового газохода не предполагает проведения ремонтных работ (за исключением планового мониторинга технического состояния) в течение всего срока его
Вид испытаний Показатель измеряемого свойства, размерность Структура ламината Среднее значение показателя
5М+4Т 136
ср, МПа 10М+8Т 142
15М+12Т 145
Растяжение 20М+16Т 126
5М+4Т 10960
Ер, МПа 10М+8Т 13096
15М+12Т 20М+16Т 11770 10093
5М+4Т 166
Си, МПа 10М+8Т 181
15М+12Т 198
Изгиб 20М+16Т 173
5М+4Т 8160
Еи, МПа 10М+8Т 15М+12Т 20М+16Т 8582 8729 7995
5М+4Т 243
Сс, МПа 10М+8Т 243
15М+12Т 269
Сжатие 20М+16Т 220
5М+4Т 5560
Ес, МПа 10М+8Т 6048
15М+12Т 20М+16Т 5828 5453
5М+4Т 155
Ударная вязкость ат, кДж/м2 10М+8Т 15М+12Т 20М+16Т 161 168 156
5М+4Т 182
Твердость Н, МПа 10М+8Т 15М+12Т 20М+16Т 178 179 173
Теплостойкость (по Вика) Тв, ос 5М+4Т 10М+8Т 15М+12Т 20М+16Т 143 142 144 143
эксплуатации (оценивается в 20 лет). Это обстоятельство существенно снижает риски, связанные с эксплуатацией газопровода и, особенно, - с проведением ремонтных работ.
3900
ш
Рис. 3 - Сравнение существовавшего а) и реконструированного б) газоходов
На основе выполненных исследований в 2003 году была проведена реконструкция газоходов действующего сернокислотного производства. В настоящее время реконструированный стеклопласти-ковый газоход успешно эксплуатируется, а опыт эксплуатации подтвердил высокую эффективность использованного решения.
Выводы
1. Полиэфирные смолы Norpol Dion обладают комплексом свойств, обеспечивающими их широкую
применимость в химических отраслях промышленности.
2. Результаты настоящего исследования создают базу для проектирования оборудования из рассматриваемых КМ для условий сернокислотного производства.
3. Обоснованность результатов работы подтверждена опытом промышленной эксплуатации конкретного оборудования.
Литература
1. Справочник по композиционным материалам / под ред. Дж. Любина. - М.: Машиностроение, 1988. - Т.1. -448с., 1988. - Т.2.-584с.
2. Справочник по пластическим массам / под ред. М.И. Гарбара, В.И. Катаева, М.С. Акутина. - М.: Химия, 1969.-306с.
3. Справочник по стеклопластикам и армированным композитам / под ред. Б. Э. Геллера. - М.: Машиностроение, 1979.-186с.
4. Norpol Polyester Resins NORPOL DION Vinyl Ester and Bisphenol Resins: каталог и руководство по применению фирмы Reichhold, 1966.- 62 р.
5. ГОСТ 12020-72 Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред.
6. Татлыева Г.З. Исследование возможности использования стеклопластиков на основе эпоксивинилэфирной смолы для антикоррозионной защиты оборудования сернокислотных производств // Татлыева Г.З., Теляков Э.Ш., Артемьева Н.А. Коррозия: материалы и защита. Москва, 2007. № 6.-С. 30-42.
7. Химический энциклопедический словарь. Гл. редактор И.Л.Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1983. -791 с.
8. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. Физико-химические свойства, методики, библиография. - М.: Мир, 1976. - 541с.
9. Астапов О.А. Механические свойства пластмасс и основы расчёта конструкций с их применением / О.А. Астапов. - Черкассы: Изд - во НИИТЭХИМ, 1984.-19с.
10. Обухов А. С. Расчет свободностоящих цилиндрических вытяжных труб из стеклопластиков. Реферативная информация о передовом опыте. Серия IV // А. С. Обухов, В.В. Васильев В. В. // Противокоррозионные работы в строительстве. 1976. - № 108. - М.: ЦБНТИ, с.14-16.
11. Обухов А.С. Расчет на прочность конструкций из стеклопластиков и пластмасс в нефтеперерабатывающей промышленности / А.С.Обухов. - М.: Машиностроение, 1978.-142с.
12. Татлыева Г.З. Оценка коррозионной стойкости композиционных материалов на базе смол Norpol Dion // Татлыева Г.З. Закиров М.А. Осипова Л.Э. Вестник Казан. технол. ун-та. -2012, Т.15, №11. С.235-239.
13. Татлыева Г.З. Повышение безопасности сернокислотного производства за счет использования композиционных материалов // Татлыева Г.З., Теляков Э.Ш., Воронцов С. Б. Безопасность труда в промышленности. - 2007. -№ 10.-С.42-47.
© Г. С. Дьяконов - д-р хим. наук, проф., ректор КНИТУ; Л. Э. Осипова - канд. техн. наук, доц. каф теплогазоснабжения и вентиляции КГАСУ, [email protected]; Э. Ш. Теляков - д-р техн. наук, проф. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected].
© G. S. Dyakonov, Doctor of Chem. Sci., professor, Rector, KNRTU; L. E. Osipova, Ph D, Associate Professor, department Heat and ventilation, Kazan State University of Architecture and Engineering, [email protected]; E. Sh. Telyakov, Doctor of Tech. Science, Rofessor of Department of Mechanical Engineering, KNRTU, [email protected].
