CC BY
15
УДК 338.45:66
КОРРОЗИЙНЫЙ ИЗНОС И ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Т. А. Афанасьева
Ивановский государственный химико-технологический университет
Методика расчета надежности химико-технологического оборудования (ХТО), работающего в условиях с участием коррозионной сферы, должна предусматривать определение и анализ условий и факторов, влияющих на надежность ХТО
Прежде всего, для определения надежности технологического оборудования, функционирующего под воздействием коррозии надо установить, по-возможности, все характеризующие коррозию факторы: материал, из которого изготавливается ХТО; начальное (исходное) состояние поверхности, подвергающейся коррозии; параметры технологического процесса, проводимого в оборудовании; природу и состав коррозионной среды; время ведения технологического процесса; вид коррозии (атмосферная, контактная, щелевая и т.д.).
Вышеназванные факторы не только характеризуют и констатируют появление коррозии, но и сами своими изменениями определяют величину надежности ХТО. Для обеспечения надежности технического объекта следует поддерживать постоянными (сохранять начальное состояние) все вышеназванные факторы (исключая коррозию).
Надежность может быть в данном случае охарактеризована следующими показателями: время работы оборудования 1;к" до появления первых признаков коррозии, время работы ХТО 1пред до полного его отказа вследствие коррозии, скорость коррозионного процесса, площадь коррозионного повреждения при относительно равномерном типе разрушения, параметры химико-технологического процесса, коррозионная стойкость материала и т.д.
Рассмотрим вышеназванные временные показатели, подчеркнув их значимость для надежности химико-
технологического оборудования, подвергающегося коррозии. Подобный анализ позволит определить целевую функцию, иначе, решить задачу обеспечения надежности ХТО, функционирующего в названных сложных условиях.
Время работы оборудования до полного отказа является больше теоретической величиной, т.к. работать до аварийного состояния оборудованию не только нецелесообразно, но и непозволительно, слишком тяжелы последствия такого результата воздействия коррозии. Поэтому, более корректно и оперативно воспользоваться такой временной характеристикой надежности, как время работы оборудования 1;к" до появления первых признаков коррозии, а оно определяется вышеназванными факторами.
Первый фактор, это материал, из которого изготавливается оборудование, подбирается конструктором с учетом условий, в которых будет работать технический объект. В специальной литературе, справочниках указываются характеристики коррозионной стойкости материалов [2]. Для определения времени работы оборудования до появления первых признаков коррозии V имеет значение такой показатель как степень повреждения металла, т.е. состояние поверхности на данный V момент времени по сравнению с начальным (исходным) состоянием.
Химико-технологическое оборудование разрабатывается с учетом параметров технологического процесса (ХТП). Обеспечение постоянства технологиче-
ских параметров является условием надежной работы ХТО и всей химикотехнологической системы. Для работы с коррозионными средствами и поддержания стабильности параметров ХТП разрабатываются соответствующие виды технологического оборудования или предусматриваются какие-либо конструкционные особенности (антикоррозийные покрытия, сопряжение деталей, узлов, специальные защитные от коррозии приспособления и т.д.).
Для оценки скорости коррозии следует считать, что коррозионный процесс разделяется на три стадии: во-первых, для начала рассматриваемого процесса необходимо подведение коррозионноактивных частиц к поверхности материала (к стенке аппарата), во-вторых, протекание реакции частиц с материалом стенки, и, в-третьих, отведение продуктов коррозии от поверхности, что осуществляется в соответствии с законом диффузии. Последняя стадия в какой-то степени тормозит процесс коррозии, т.к. продукты коррозии создают своего рода преграду для проникновения коррозионноактивных частиц к поверхности стенки аппарата.
Скорость процесса коррозии [1, т.Х] на первой стадии определяется количеством вещества (коррозионно-активные частицы), перенесенного в единицу времени:
П, = ^ ■ Я • ^ , (а)
ах
где:
к ё - коэффициент диффузии;
Б - площадь сечения, через которое протекает диффузия; ёе/ёх - градиент концентрации; ун - скорость диффузии (с увеличением
температуры возрастает).
Вторая стадия может быть выражена зависимостью:
ят
УР = крС ехр
(б)
где:
кр - константа скорости реакции;
С - концентрация коррозионно-активных частиц;
W - энергия активации;
Я - универсальная газовая постоянная;
Т - абсолютная температура.
Из уравнений а) и б) следует, что показатели, увеличивающие скорость диффузии и коррозии (С, Т) снижают надежность работы химико-технологического оборудования, т.е. являются показателями надежности (ненадежности), и поэтому подлежат расчету в методике определения надежности ХТО, работающего в условиях коррозионных сред.
В таблицах различных справочников коррозионной стойкости и литературных источниках наименьшей величиной скорости коррозии считают потерю 2 2
веса металла < 0,1 /м час или в пересчете на глубину коррозии < 0, 1мм/год. Для получения среднего (глубинного) показателя коррозии расчет производится по следующей формуле [2]:
8,76 • К ж =-------- мм/год,
7
где ж - проницаемость, мм/год;
К - потеря веса металла (скорость коррозии), г/м час;
7 - удельный вес металла, г/см3;
8,76 - переводной коэффициент.
Коррозионный процесс, протекающий на границе металл (или любой материал, из которого изготавливают оборудование, техническое средство) - окружающая среда, является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой или газообразной фазы с металлом (материалом). Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металла (материала). Возможность протекания коррозии можно определить по изменению энергии Гиббса (изменение изобарно-изотермического потенциала) - 01:
ДО = 02 - 01 , где ДО - изменение энергии системы, 02 - энергия Гиббса продуктов реакции. В [1,т.Х] сказано, что
самопроизвольно протекают лишь те процессы, в результате которых происходит уменьшение энергии Гиббса, т.е. 01 > 02 или ДО < 0. Последнее условие означает, что термодинамический расчет позволяет определить возможность или невозможность протекания коррозии, и, следовательно, возможное снижение надежности функционирования оборудования.
Коррозия металла (материала), возникающая на поверхности стенок аппаратов, или вызывающая местное « разъедание» из-за изъянов, допущенных при изготовлении технического средства, является фактором, снижающим работоспособность, долговечность и другие характеристики надежности.
Площадь повреждения рассчитывается в соответствии с ГОСТ 9.101-78 и скорость коррозионного процесса непосредственно связаны со временем работы оборудования [1]. При относительно равномерном типе коррозионного разрушения (местная коррозия, равномерно протекающая коррозия) скорость коррозии может быть выражена весовым показателем коррозии (К), равным весу металла (в граммах), превращенного в продукты коррозии за единицу времени (час или сутки) с единицы его поверхности (м2 или дм ). Иногда скорость коррозии выражается также глубинным показателем (П), т.е. средним проникновением коррозии в металл (материал) в миллиметрах за единицу времени (1год). Пересчет скорости коррозии от весового показателя (К) в глубинный (П) или обратно производится по формуле:
8,76
П =
• К.
У
где: у - плотность металла (материала),
К - весовой показатель коррозии, г/м2час, П - глубинный показатель коррозии, мм/год.
Однако, при резко выраженной местной (точечной) коррозии скорость коррозионного разрушения, а, следователь-
но, снижения надежности ХТО, не может быть достаточно точно охарактеризована этими (К, П) показателями. При точечной коррозии необходимо определять максимальный глубинный показатель [1].
Скорости межкристаллической коррозии, коррозионного растрескивания могут количественно характеризоваться потерей прочности металла (в%) за определенное время. Прочностной показатель коррозии Ка определяется по формуле:
100
где ов - предел прочности металла до коррозии;
ав' - кажущийся предел прочности после коррозии (т.е. рассчитанный на начальное сечение образца).
Указанный в справочниках показатель коррозионной стойкости металла (материала) может заранее предсказать уровень надежности оборудования, изготавливаемого из этого материала, чем и пользуются конструкторы при разработке химико-технологического оборудования.
Исходя из всего изложенного выше, очевидно, что наиболее общей целевой функцией для решения поставленной задачи является минимальная величина разрушения поверхности материала Бк (металла), из которого изготовлено оборудование, за максимально возможный период его работы 1;к.
Если принять Бн - начальное состояние поверхности материала при 1;н = 0- начало периода работы ХТО, то через 1к' - некоторый отрезок времени работы оборудования в коррозионной среде состояние поверхности материала Бк = Бн -ДБ.
ДБ - величина разрушенного слоя материала (металла). Итак, целевая функция:
ДБ = Бн - Бк ^ шт за время работы 1к < 1к" < 1;н, где ДБ = /(1к). При известной величине скорости коррозии ук :
ДБ = ук • 1к". Конструктор, разрабатывая тот или иной вид оборудования, предназначенного для функционирования в коррозионных средах, должен всегда предусматривать определенный запас прочности (надежной, безотказной работы ХТО), т.е. показатель 1к" должен быть максимальным при минимизации величины ДБ. Этого можно достигнуть уменьшением скорости коррозионного процесса; предусматривая те или иные способы защиты от коррозии.
Параметры химико-технологического процесса обычно определяются в технологическом регламенте, именно они обеспечивают в первую очередь надеж-
ную, стабильную и эффективную работу не только ХТО, но и всего химикотехнологического производства в соответствующих условиях, в том числе с участием различных коррозионных сред.
ЛИТЕРАТУРА
1. Надежность и эффективность в технике: справочник: В 10 Т. - М.: Машиностроение, 1986.
2. Коррозионная и химическая стойкость материалов: справочник /Под ред. Н.А.Доллежаля - М.: Машгиз, 1954.
3. Краткая химическая энциклопедия / Под ред. И.Л. Кунянца. Т.2. - М.: Сов. энциклопедия, 1963.
THE CORROSIVE WEAR-OUT AND EVALUATION OF RELIABILITY A CHEMIST-TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
T. Afanasjeva
The method of calculation of reliability chemist-technological equipment, working in conditions with participation corrosive spheres, must stipulate determination and analysis of conditions and factors, affecting reliability CTE.
