CC BY
63
УДК 620.197
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
1 9
© Е.А. Гусева1, М.В. Константинова2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследования сплава, применяемого при изготовлении деталей насосов для хлебопекарной промышленности. Металлографический анализ показал, что он относится к группе серых чугунов. Коррозионные испытания сплава проводились в лабораторных условиях с использованием в качестве среды производственного солевого раствора. Даны рекомендации по повышению срока службы пищевого оборудования. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: коррозия; показатели коррозии; коррозионная стойкость; гравиметрия; потенциодинамиче-ский метод.
CORROSION RESISTANCE OF FOOD PRODUCTION EQUIPMENT E.A. Guseva, M.V. Konstantinova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article introduces the results of studying the alloy used in the manufacturing of the parts of pumps for the baking industry. According to the metallographic analysis, the alloy belongs to the group of gray cast iron. Alloy corrosion tests have been conducted in laboratory conditions with the use of production saline solution as a medium. Recommendations on prolonging the service life of food processing equipment are given. 3 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: corrosion; corrosion rates; corrosion resistance; gravimetry; potentiodynamic method.
Технологические условия пищевых производств отличаются наличием агрессивных сред - как органических, так и неорганических. Эти среды могут быть нейтральными, щелочными или кислыми. Некоторые технологические процессы происходят при повышенных температурах. В ряде случаев имеет место истирающее воздействие истекающих сред и некоторых продуктов - как жидких, так и сыпучих твердых. Не исключен преждевременный выход оборудования из строя по причинам: электрохимической коррозии, происходящей в растворах электролитов; изнашивания; окисления в кислородсодержащих средах, особенно при повышенной температуре; и пр. С другой стороны, контакт пищевых сред с ненадлежащими материалами, из которых изготовлено оборудование, может привести к порче производимого продукта. С этой точки зрения весьма важным является выбор материалов и сплавов для оборудования пищевых предприятий [1].
Технологический процесс производства хлеба на ЗАО «Иркутский хлебозавод» состоит из следующих этапов:
- прием и хранение сырья;
- подготовка сырья к пуску в производство;
- приготовление теста;
- разделка теста;
- выпечка и хранение готовых изделий;
- отправка продукции в торговую сеть.
Соль является обязательным рецептурным компонентом при приготовлении хлеба и многих хлебобулочных изделий [2].
Пищевая крупнокристаллическая соль поступает на хлебопекарное предприятие в мешках. Ее, ввиду высокой гигроскопичности, нельзя содержать вместе с другими продуктами, - она хранится «мокрым» способом в специальных хранилищах-растворителях.
Солерастворитель периодического действия представляет собой емкость, в которую загружаются соль и вода. Готовый солевой раствор фильтруют и перекачивают сначала в накопительный бак, откуда он попадает самотеком в производственный сборник, затем на дозировочную станцию. Барботаж способствует перемешиванию раствора и поддержанию его постоянной плотности 1,2 г/см . Для контроля концентрации периодически проверяют плотность ареометром. Насыщению раствора способствует циркуляция солевого раствора по замкнутому кругу: из соле-растворителя через насос - обратно.
На производстве для описанных выше процессов используют электронасосный агрегат. Он предназначен для работы в стационарных условиях, для перекачивания воды или других жидкостей, сходных с водой по физико-механическим показателям и химической активности, с температурой от 0 до 85°С. Жидкости не должны иметь механических примесей по объ-
1Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: el. guseva@rambler. Ru
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: el. guseva@rambler. ru
Константинова Марина Витальевна, кандидат химических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, 89500537195, e-mail: mavikonst@ mail. ru
Konstantinova Marina, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500537195, e-mail: mavikonst @ mail. ru
ему более 0,2 мм, а также волокнистых материалов, золы, шлака, песка и других наполнителей, вызывающих забивание каналов рабочего колеса и проточной части, а также быстрый износ деталей. Агрегат может работать как с разрежением, так и с подпором на входе.
Рабочее колесо - самая важная деталь центробежного насоса, оно предназначено для передачи механической энергии от вала двигателя к потоку жидкости. Водный солевой раствор высокой концентрации является агрессивной средой, что обусловлено присутствием в нем разнообразных ионов. Кроме того, из-за насыщенности раствора в местах его протечки на поверхности оборудования образуются кристаллы соли, которые трудно удалить. Детали насоса подвергаются электрохимической коррозии, также происходит гидроабразивный износ рабочих органов. Агрегаты приходится менять с периодичностью раз в 6-12 месяцев, что приводит к значительным экономическим потерям.
Из всех деталей именно рабочее колесо наиболее подвержено гидроабразивному износу и коррозии.
Для определения вида сплава, из которого изготовлены элементы насоса, был произведен металлографический анализ (микроскоп МИМ-8) оборудования, используемого в технологическом процессе. Для этого вырезанные из деталей образцы шлифовались и полировались. Изучая полированный объект (до травления), можно оценить качество приготовления микрошлифа, наличие пор, трещин, других несплош-ностей, а также неметаллических включений. Так, например, определение группы чугуна удобнее производить именно на нетравленом шлифе, что позволяет сделать это по геометрической форме графитовых включений. В исследованных образцах на светлом фоне металлической основы видны темные включения графита пластинчатой формы, что позволяет от-
нести этот сплав к группе серых чугунов (рис. 1, а).
Чем более мелкими, разобщенными и изогнутыми по форме являются пластинки графита, тем более высокими механическими свойствами обладает серый чугун. Однако не только форма графитовых включений определяет механические свойства материала, важно также и строение металлической основы. Чтобы выявить ее структуру, необходимо травление. При этом в качестве травителя используют пятипроцентный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. В результате в сплавах выявляются форма, размер и распределение фаз и структурных составляющих: феррита, цементита, перлита.
В исследованных образцах металлическая основа представляла собой феррит и небольшое количество перлита (рис. 1, б). Это позволяет сделать вывод, что сплав представляет собой ферритный серый чугун (чугун считается ферритным, когда количество перлита в металлической основе не превышает 20%) [1].
Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как характеризуется отличными литейными и удовлетворительными механическими свойствами, высокой износостойкостью и дешевизной. Но, несмотря на то, что серые ферритные чугуны таких марок, как СЧ10, СЧ15, СЧ18 рекомендуются для изготовления различных деталей средней нагруженности аппаратов пищевых производств [1], данные сплавы не являются достаточно стойкими к воздействиям агрессивных сред [3].
Детали насоса, изготовленные из серого чугуна, в процессе эксплуатации постоянно находятся в солевом растворе и подвергаются электрохимической коррозии. Вид коррозии - общая равномерная, о чем можно судить по характеру коррозионного разрушения. Наиболее простой и распространенный метод определения скорости общей равномерной коррозии -
Щ -
х У
Л: - • ,
V
I
Г '
■ i/B
и
О <-г
г
X
л
*
а б
Рис. 1. Микроструктура исследованного сплава, х200: а - до травления; б - после травления
гравиметрический. Он сводится к взвешиванию металлических образцов до и после испытаний и расчету скорости коррозии на основании потерь по разности массы. Гравиметрическим методом с достаточной точностью можно измерять скорость коррозии в тех случаях, когда она превышает 10-3—10-4 мм/год. Изменение массы по величине во время эксперимента должно быть, по крайней мере, на один порядок выше разрешающей способности весов. Как правило, точность гравиметрического метода определяется не столько чувствительностью весов и точностью взвешивания, сколько теми случайными погрешностями, которые вносят вспомогательные операции (промывка, сушка, удаление продуктов коррозии) [4].
Форму и размеры образцов выбирают в соответствии с ГОСТ [4], их количество для параллельных опытов должно быть не менее трех.
Из деталей насоса вырезали кусочки прямоугольной формы, поверхности тщательно зачищали до блеска наждачной бумагой различной зернистости, протравливали концентрированным раствором соляной кислоты. Боковые грани покрывали изоляционным материалом, стойким к воздействию коррозионной среды. Размеры определяли с помощью штангенциркуля. Поверхности обезжиривали в ацетоне или спирте, производили взвешивание на аналитических весах. Точность взвешивания до четвертого знака. Подготовленные образцы помещали в стеклянные стаканы, куда заливали солевой раствор концентрации 1,2 г/см3, который представляет собой реальную рабочую среду. Отношение объема жидкости к площади поверхности образца соответствовало реальным условиям эксплуатации. Обычно минимальное соотношение составляет 10мл/см2. Если это требование невыполнимо, то выбирают такое соотношение, при котором параметры, определяющие агрессивность среды, не могут существенно изменяться во время испыта-
ний, или предусматривают обновление или корректировку среды в процессе опыта.
Продолжительность экспонирования отсчитывает-ся с момента введения образца в коррозионную среду. Выбранная продолжительность экспонирования составляла, ч: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5.
По истечении положенного времени образцы вынимали из раствора, промывали проточной водой, высушивали в сушильном шкафу. Далее убирали все продукты коррозии. Обработка поверхности испытуемых образцов после испытания проводилась по стандартной методике, способы удаления продуктов коррозии соответствовали ГОСТ [5].
Затем - повторное взвешивание: определяли разность массы образцов до и после опыта.
Скорость коррозии Кт, г/м2-ч, высчитывали по формуле
Кт = Ат / Ы, (1)
где Ат = т0 - т1 - убыль массы, г; т0 и т1 - масса образцов до и после испытаний, г; Б - площадь образца, м2; t - продолжительность экспонирования, ч.
Массовый и глубинный показатели коррозии связаны между собой соотношением
К = 8,76 •К/ , (2)
П 5 / р
3
где р - плотность металла; для железа р = 7,87 г/см ; 8,76 - коэффициент, который позволяет осуществлять пересчет массового показателя скорости коррозии, г/м2ч, в глубинный показатель, мм/год.
Экспериментальные данные и результаты расчетов приведены в таблице [6]. Площади поверхности исследуемых образцов равны соответственно: Б1 = 9-10"4 м2 (образцы 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1); Б2 = 1010-4 м2 (образцы 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5); Бз = 910-4 м2 (образцы 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5).
Номер Продолжи- Убыль Отрицательный Глубинный Среднее Балл Дисперсия
тельность массы показатель показатель значение стой- Sr
эксперимента, т-10"4, г изменения коррозии Kn, мм/год кости
ч массы Кт, г/м •ч Кп, мм/год
1-1 64 14,22 15,9 10
1-2 0,5 74 14,8 16,56 16,92 10 0,081
1-3 74 16,44 18,3 10
2-1 123 13,67 15,29 10
2-2 1 103 10,3 11,50 13,06 10 0,115
2-3 100 11,11 12,40 10
3-1 147 10,89 12,18 10
3-2 1,5 117 7,8 8,73 10,41 9 0,136
3-3 117 8,67 9,70 9
4-1 165 9,17 10,26 10
4-2 2 135 6,75 7,55 5,52 9 0,147
4-3 125 6,94 7,76 9
5-1 170 7,56 8,46 9
5-2 2,5 150 6,0 6,71 7,34 9 0,106
5-3 138 6,13 6,86 9
Скорость коррозии серого чугуна в солевом растворе
На основании десятибалльной шкалы для оценки общей коррозионной стойкости металлов серый чугун мы оценили как малостойкий (балл 9) и нестойкий (балл 10). Повышение стойкости по мере увеличения продолжительности коррозионных испытаний можно связать с увеличением толщины слоя продуктов коррозии и уменьшением в связи с этим скорости коррозии.
Рассеяние результатов измерений относительно среднего значения принято характеризовать дисперсией S2, или стандартным отклонением (средним квадратичным отклонением) S. При этом используется способ усреднения отклонений вариантов от среднего арифметического. Стандартное отклонение, деленное на среднее выборки, называют относительным стандартным отклонением Бг. Полученная величина Бг показывает высокую воспроизводимость результатов (таблица).
Кроме гравиметрического метода определения скорости коррозии, был использован и электрохимический метод. Для проведения этих испытаний применяли потенциостат-гальваностат «ПИ-50-Рго».
Снимали потенциодинамические поляризационные кривые, скорость развертки 26,932 мВ/с. В данных исследованиях реализовали трехэлектродную схему подключения к электрохимической ячейке. В качестве электролита использовали раствор NaCl с плотностью 1,2 г/см3. Перед проведением эксперимента на поверхности металлического образца выделяли участок площадью 1 см2, оставшуюся часть покрывали техническим изоляционным лаком. Открытую поверхность протравили в концентрированном растворе соляной кислоты в течение 15 мин, промыли дистиллированной водой и обезжирили этиловым спиртом.
Пример потенциодинамической кривой представлен на рис 2.
где д - электрохимический эквивалент металла.
Электрохимический эквивалент металла определяется следующим образом:
q = A/f • n ■
(4)
где А - атомная масса железа = 55,85; п= 2, Р - число Фарадея = 26,8 А/ч;
% = 55,85/26,8-2 = 1,042 г/А ■ ч.
Исходя из формулы (3)
Кт = I ■ д . (5)
Дальнейшая обработка поляризационных кривых позволяет получить уравнения зависимости потенциала от логарифма тока для выбранных прямолинейных участков, катодного и анодного (рис. 3).
При решении системы уравнений линии тренда для этого варианта получили
191= -2,17;
¡= 0,0067 А/см2;
Кт = i ■ 1,042 = 0,0067 ■ 1,042 = 69,8 г/м2-ч;
Кп = 8,76 ■ 68,9/ 7,87 = 77,69 мм/год.
Выводы. Проведена серия экспериментов по определению скорости коррозии электрохимическим методом, состоящая из трех параллельных опытов. Средняя арифметическая величина скорости коррозии серого чугуна составила 74,58 мм/год. Согласно шкале коррозионной стойкости металлов, данный материал относится к нестойким, балл стойкости - 10.
Величина скорости коррозии, определенная таким способом, оказывается выше, чем при определении ее гравиметрическим методом. Это можно объяснить тем, что, с учетом выбранной скорости развертки, продолжительность эксперимента составляла около минуты: в результате не успевает образоваться слой
0,00
< -
а
и
о н
н о
о =
н о
ч
&
а -
о
500,00
Потенциал, мВ
Рис. 2. Зависимость логарифма плотности тока от потенциала (относительно хлорсеребряного
электрода сравнения)
Токовый показатель коррозии i связан с массовым показателем коррозии Кт:
/д '
i =
(3)
продуктов коррозии, заметно влияющих на величину скорости коррозии. Тем не менее, значения скорости коррозии, полученные разными способами, сопоставимы.
0,00
-2,50
-2,00
-1,50
-1,00
-0,50
0,
00
-200,00
--400,00
y = 667,5x + 403,39
R2 = 0,993 -600,00
-800,00 -1000,00
-1200,00 -1400,00
-1600,00
н о
из
Логарифм плотности тока, А
Рис. 3. Зависимость потенциала от логарифма тока для анодного и катодного участков поляризационной кривой
С целью снижения скорости коррозии и повышения коррозионной стойкости существуют различные способы [7]. Однако специфика пищевой промышленности накладывает определенные ограничения. Обработка окружающей среды с применением ингибиторов (замедлителей коррозии), которые вводятся в рабочее пространство, в большинстве случаев недопустима, поскольку многие применяемые химические ингибиторы несовместимы с пищевыми продуктами по причине токсичности. Далеко не все защитные покрытия, снижающие скорость коррозии, могут работать в предлагаемых условиях, к тому же должны быть сами нетоксичными. Электрохимические способы предохранения насосов по перекачке солевого раствора
также невозможно применить.
Один из надежных способов снижения коррозионных потерь - замена материала, из которого производится оборудование. Лучше всего вместо используемых насосов приобрести более перспективные, ряд деталей в которых изготовлен из коррозионностойких сталей аустенитного класса. На рынке существуют подходящие предложения, например, насосы марки Grundfos. Они просты в монтаже и эксплуатации, их конструкции разнообразны. Предварительный экономический расчет показал целесообразность замены существующего оборудования на современное.
Статья поступила 12.11.2014 г.
Библиографический список
1. Солнцев Ю.П., Жавнер В.Л., Вологжанина С.А., Горлач Р.В. Оборудование пищевых производств. Материаловедение. СПб.: Профессия, 2003. 526 с.
2. Технологический процесс производства хлеба [Электронный ресурс]. URL: http://www.kases.ru
3. Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. Л.: Химия, 1973. 264 с.
4. ГОСТ 9 908 - 85. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: Изд-во стандартов, 1999. 17 с.
5. ГОСТ Р 907 - 2007. Единая система от коррозии и старения. Металлы, сплавы, покрытия металлические. Методы
удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний. М.: Стандартинформ, 2007. 7 с.
6. Шатханова Р.Л., Гусева Е.А. Исследование коррозионной стойкости рабочих деталей электронасоса из серого чугуна. Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 24-25 апреля 2014 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 2526.
7. Гусева Е.А., Константинова М.В., Гусев А.О. Пути повышения надежности промышленного оборудования // Вестник ИрГТУ. 2013. № 10. С. 218-224.
