CC BY
24
УДК 620.197УДК 669:620.193/.197
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1 о __ о
© Е.А. Гусева1, М.В. Константинова2, А.О. Гусев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты лабораторных и производственных исследований коррозионной стойкости стали, используемой для изготовления пекарских тележек. Установлены законы роста оксидных пленок. Представлен сравнительный анализ затрат в случае замены действующего оборудования на оборудование из коррозионно-стойкой стали. Даны рекомендации по повышению срока службы пекарских тележек. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: надежность; коррозия; показатели коррозии; коррозионная стойкость; законы окисления.
WAYS TO IMPROVE INDUSTRIAL EQUIPMENT RELIABILITY E.A. Guseva, M.V. Konstantinova, A.O. Gusev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the results of laboratory and industrial studies of the corrosion resistance of the steel used for making bakery trolleys. The laws of oxide film growth are determined. A comparative analysis of the costs of existing equipment replacement with the equipment made of corrosion-resistant steel is provided. The recommendations on improving the service life of bakery trolleys are given. 4 figures. 2 tables. 6 sources.
Key words: reliability; corrosion; corrosion coefficient; corrosion resistance; oxidation laws.
ЗАО «Иркутский хлебозавод» сегодня - крупнейший производитель хлебобулочных и кондитерских изделий в Иркутской области. Качество выпускаемой продукции отмечено наградами отечественных и международных ярмарок. В последние годы наблюдается устойчивый рост производства. Продукция производится на современном импортном оборудовании с использованием новейших технологий. Один из факторов снижения себестоимости продукции и повышения её конкурентоспособности на рынке - увеличение срока службы оборудования и его надёжности. Надёжность - свойство материалов выполнять свои функции, сохраняя установленные характеристики в определённых пределах в течение заданного времени
при данных условиях эксплуатации.
Оборудование, используемое в технологическом процессе, зачастую подвергается действию повышенных температур, коррозионной среды, механических нагрузок, в том числе ударных, а также изнашиванию [1]. Коррозия является одной из причин, значительно уменьшающих срок службы оборудования. Так, направляющие у тележек, на которых отпекается хлебобулочная продукция в электропечах, подвергаются коррозии при температуре 190-220°С в окислительной среде. На рис. 1,а показан внешний вид направляющих до начала эксплуатации, на рис. 1,6 - внешний вид тех же направляющих после окончания срока эксплуатации.
_ 1
i \ r
а) б)
Рис. 1. Внешний вид направляющих до начала эксплуатации (а) и после окончания срока эксплуатации (б)
1Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, 89500616247, e-mail: [email protected]
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical 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: [email protected]
Konstantinova Marina, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, 89500537195, e-mail: [email protected]
3Гусев Алексей Олегович, магистрант, тел.: 89500616246. Gusev Aleksei, Graduate student, tel.: 89500616246.
Несмотря на внедрение современных технологий и технического оснащения по выпечке хлебобулочных изделий, затраты на замену пекарских тележек, пришедших в негодность под воздействием коррозии, остаются на достаточно высоком уровне.
В настоящей работе приводятся результаты исследований по определению коррозионной стойкости стали, из которой изготавливается оборудование, применяемое в хлебопекарном производстве, а также предлагаются пути увеличения срока службы этого оборудования.
В работе был произведен металлографический анализ стали направляющих пекарских тележек. Из направляющих были вырезаны образцы стали, из которых изготовили микрошлифы для проведения микроскопического исследования.
Приготовление микрошлифа состояло в последовательных операциях шлифования, полирования и травления его поверхности. Шлифование производилось с использованием шлифовальных шкурок разной степени зернистости. При переходе к меньшему номеру зерна образец тщательно очищался от абразива, направление шлифования менялось на 90°. Полирование производили с применением вращающихся дисков диаметром 200-250 мм, обтянутых сукном, на которое периодически наносилась водная взвесь оксида хрома. Полирование считается законченным, когда все следы шлифования исчезают, поверхность шлифа становится зеркальной. Шлиф промывали водой и спиртом и просушивали. Для выявления микроструктуры металла образец подвергали травлению. Перед травлением подготовленную поверхность обезжиривали спиртом, а затем погружали на определённое время в травитель - 5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. При травлении выявляются форма, размер и распределение фазовых включений и структурных составляющих сплавов, в частности, сталей. Микроструктура стали приведена на рис. 2.
Рис. 2. Микроструктура стали, используемой для изготовления направляющих
Структура - феррит (светлые зёрна) с чётко очерченными границами и небольшое количество перлита (темные зёрна). Соотношение перлита и феррита указывает на то, что это низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода примерно 0,2%. Сталь имеет мелкое зерно. Балл зерна - 7-8 согласно шкале зернистости стали. Мелкое зерно позволяет предположить, что сталь прошла нормализацию [2].
Несмотря на то, что низкоуглеродистая сталь ре-
комендуется как теплоустойчивая для оборудования, используемого в различных технологических процессах, происходящих при повышенных температурах, такая сталь может не обладать достаточной коррозионной стойкостью.
В данном случае мы имеем дело с химической газовой коррозией при повышенных температурах. По характеру коррозионного разрушения можно сделать вывод, что происходит сплошная равномерная коррозия.
Наиболее характерно для газовой коррозии взаимодействие металлов с окислителями через плёнки твёрдых продуктов коррозии. Чтобы плёнка обладала защитными свойствами, она должна удовлетворять следующим требованиям: быть сплошной и беспористой, обладать высокой адгезией к металлу, иметь коэффициент термического расширения, близкий по величине к величине этого коэффициента для металла, быть химически инертной к агрессивной среде. Главным из перечисленных требований является условие сплошности, сформулированное Пиллингом и Бедвордсом: молярный объём образовавшегося оксида ^окс) должен превышать объём израсходованного на это металла ^Ме) Vокс > VMe. не более чем в 1-2,5 раза.
Когда объём продукта коррозии меньше объёма металла, из которого эта плёнка сформировалась, возникают внутренние напряжения растяжения, которые являются причиной разрывов и трещин в плёнках. Через них окислитель свободно проникает к поверхности металла, и процесс коррозии продолжается.
Если объём продукта коррозии значительно больше объёма металла, из которого он образуется, то в плёнке возникают напряжения сжатия, приводящие к вздутию, которое возможно при недостаточном сцеплении плёнки с металлом. Отрыв плёнки сопровождается сколами, облегчающими подход окислителя к металлу, и скорость коррозии возрастает. В тех случаях, когда плёнка хорошо связана с металлом, силы сжатия обеспечивают скол оксидной плёнки.
Для определения коррозионной стойкости стали при повышенной температуре были проведены коррозионные испытания в лабораторных условиях образцов, изготовленных из направляющих пекарских тележек. Скорость коррозии оценивалась по результатам изменения массы исследуемых образцов, т.е. применялся гравиметрический метод [3].
Образцы для простых коррозионных испытаний, как правило, изготавливаются в виде пластинок. Площадь поверхности каждого из образцов определяли по результатам измерения штангенциркулем его длины, ширины и толщины. Для подготовки образцов к испытанию потребовалось провести ряд последовательных операций. Механическая очистка от оксидов производилась с использованием тонкой наждачной бумагой. Затем следовала химическая очистка. Образцы в течение 1 часа выдерживали в травильном растворе, состоящем из 5% HNO3 с добавкой 1% NaF. Далее образцы очищали щёткой под струей воды и тщательно промывали, споласкивали дистиллированной водой и сушили в ацетоне или спирте. Обезжиривание, не-
обходимое для удаления с поверхности образцов невидимых загрязнений, которые могут исказить результаты испытаний, производили обработкой растворителем, после чего следовала промывка спиртом и сушка. Высушенный образец помещали в чистый, предварительно прокалённый фарфоровый тигель и взвешивали на аналитических весах с точностью до 4-го знака. Взвешенные образцы вместе с тигелем помещали в разогретую до температуры 200°С муфельную печь. Продолжительность выдержки в печи составляла 0,5; 1; 1,5; 2 и 3 часа. Извлечённые из печи тигли с образцами после остывания на воздухе взвешивали. Затем производили обработку результатов эксперимента. Так, для первой серии опытов были получены следующие результаты (табл.1).
Показатели скорости коррозии исследуемой
гарифмический М = Ыд(д1 + 1), где, к, а, Ь, д и п - константы в уравнениях, описывающих скорость окисления.
Наиболее простая линейная зависимость справедлива для тех случаев, когда продукты коррозии газообразны, либо плёнка продуктов не сплошная, что не препятствует подводу окислителя, и, следовательно, плёнка не обладает защитными свойствами.
Параболический закон соответствует условиям коррозии, когда её скорость определяется диффузией частиц окислителя и металла через достаточно толстую (от 40 до 500 нм) плёнку продуктов их взаимодействия. Большинство применяемых в технике металлов окисляются по параболическому закону.
Логарифмический закон характеризует окисление
Таблица 1
стали, определенные в лабораторных условиях
Номер образца Время испытания, ч Прирост массы Ат-10-4, г Положительный показатель изменения массы Кт, г/м2-ч т 1 Отрицательный показатель изменения массы К" , г/м2-ч т 1 Глубинный показатель коррозии Кп , мм/год Балл стойкости
1 0,5 1 0,143 0,334 0,369 6
2 1 5 0,357 0,833 0,921 7
3 1,5 9 0,429 1,001 1,106 8
4 2 12 0,428 0,999 1,103 8
5 3 16 0,381 0,889 0,983 7
Скорость коррозии, К +т, г/м2-ч, - показатель изменения массы, определяли по формуле
к т =
Дт
(1)
где Ат = т1-т2: т1 и т2 - масса образцов до и после испытаний; Б - площадь образца, м ; f - время коррозионных испытаний, ч.
Известны способы пересчёта положительного показателя изменения массы, связанного с её увеличением по причине образующихся продуктов коррозии, в
отрицательный показатель Кт, связанный с количеством прореагировавшего металла, зная который, можно перейти к глубинному показателю [4]. На основании значений глубинного показателя коррозии по десятибалльной шкале было определено, что коррозионная стойкость исследованной стали соответствует 6-8 баллам, что характеризует её как пониженно-стойкую и малостойкую.
Законы роста оксидных плёнок в зависимости от их природы выражаются линейной, параболической или логарифмической зависимостями. При обсуждении результатов воспользовались законами окисления, которые в математической форме связывают количество прореагировавшего металла М и продолжительность процесса I. Наиболее общими из них являются: линейный М = к1, параболический М2 = а1 и ло-
металлов, на поверхности которых формируются тонкие (до 40 нм) плёнки продуктов коррозии. Такие плёнки обладают высокими защитными свойствами, обеспечивают металлу высокую жаростойкость.
Приведённые законы роста оксидных плёнок справедливы для вполне определённых условий. На практике для одного и того же металла, в зависимости от температуры окисления, времени, состава атмосферы, могут иметь место все случаи окисления.
При дальнейшей обработке результатов эксперимента воспользовались усреднёнными данными серий из пяти опытов для каждого режима. Для установления закона окисления на основании полученных данных построили следующие графики зависимости толщины образовавшегося оксидного слоя 1 от времени проведения испытаний (продолжительности выдержки) f (рис. 3): Л= /(О - для линейного, Л= - для параболического и 11= щд) - для логарифмического законов. Величину 1 определяли по формуле
1л=А т^р,
(2)
где А т - увеличение массы образца, г; б - поверхность образца, м2; р - плотность оксида, г /м3.
Анализируя графики зависимостей, приведенных на рис. 3, можно сделать вывод, что рост оксидных плёнок происходил по параболическому закону, что свидетельствует об образовании плёнок, не обладающих защитными свойствами.
Логарифм времени проведения испытания, ч
в)
Рис. 3. Зависимость толщины оксидного слоя от времени проведения испытания для случаев линейного (а), параболического (б), логарифмического (в) законов
роста оксидной плёнки
Однако лабораторные условия в значительной мере отличаются от условий реального процесса, имитировать которые в условиях лаборатории не представляется возможным.
Благодаря сотрудничеству с ЗАО «Иркутский хлебозавод» удалось провести коррозионные испытания образцов стали направляющих пекарских тележек в производственных условиях [5]. Испытания были проведены в булочно-кондитерском цехе данного предприятия. Для этого предварительно подготовленные образцы размещались непосредственно в пространстве работающей ротационной печи Comet, когда происходила выпечка хлебобулочной продукции, и выдерживались в течение 14 часов. Продолжительность выдержки определялась особенностями технологического процесса. Результаты эксперимента и расчётные данные приведены в табл. 2.
Образцы низкоуглеродистой стали вели себя как пониженно-стойкие, получив балл стойкости 7.
При сравнении результатов испытаний, проведённых в лабораторных и производственных условиях (см. табл. 1 и 2), было обнаружено, что скорость коррозии низкоуглеродистой стали в последнем случае практически в 2 раза ниже. Возможно, это объясняется присутствием в пространстве печи органических веществ, образующихся при выпекании хлебобулочных изделий, которые могут выступать в роли ингибиторов процесса. Также на начальной стадии выпекания хлебобулочных изделий происходит интенсивное завершение процесса брожения теста, когда в некотором количестве образуются газы-восстановители -водород Н2 и оксид углерода СО [6], что также может замедлять процесс коррозии. Однако необходимо учесть, что процесс выпечки сопровождается мощной вытяжкой, поэтому скорость коррозии, вероятнее всего, уменьшается по другой причине. Технология выпечки хлебобулочных изделий предусматривает подачу в пекарную камеру печи в определённый момент горячего водяного пара. Известно, что при этом, как при оксидировании в перегретом водяном паре, может образовываться оксидная плёнка, тормозящая процесс коррозии [7].
С целью повышения срока службы оборудования необходимо снизить коррозионные потери. В настоящее время предлагается достаточно большое количество разнообразных способов повышения коррозион-
ной стойкости сплавов. Однако специфика пищевой промышленности накладывает определённые ограничения. Так, техническое исполнение ротационной печи предусматривает мощное вытяжное устройство, что делает неэффективным использование ингибиторов -замедлителей коррозии металлов, вводимых в рабочее пространство, тем самым снижается защита окружающей среды. Кроме того, многие применяемые химические ингибиторы несовместимы с пищевыми продуктами, так как насыщение ими тестовых заготовок может сделать токсичным выпускаемую продукцию. Далеко не все защитные покрытия, снижающие скорость коррозии стали, могут работать в предлагаемых условиях, при достаточно высокой температуре и механических воздействиях, предполагающих удары и истирание. При этом покрытия также должны быть нетоксичными.
2
Один из надёжных способов снижения коррозионных потерь - замена материала, из которого изготовлено оборудование. Ряд иностранных производителей предлагают изготавливать аналогичные тележки из стали марки AISI 304 (The American Iron and Steel Institute) [6]. Это хромоникелевая аустенитная сталь с низким содержанием углерода. Область применения данных сталей достаточно широка - от изготовления оборудования для химических и пищевых предприятий, предприятий общественного питания, для производства, хранения и транспортировки молока, пива, вина и других напитков, а также химреактивов, до кухонных и столовых принадлежностей, труб различного назначения, архитектуры.
В связи с этим в данной работе проведены коррозионные испытания хромоникелевой аустенитной стали аналогичной марки 12Х18Н9Т в условиях производства. Предварительно подготовленные образцы размещались в пространстве работающей ротационной печи Comet во время выпечки хлебобулочной продукции и выдерживались в течение 14 часов (результаты эксперимента и расчётные данные представлены в табл. 2). По десятибалльной шкале оценки общей коррозионной стойкости стойкость стали в исследуемых условиях - 2 балла, что характеризует её как весьма стойкую сталь.
Безусловно, хромоникелевые стали относятся к группе дорогих высоколегированных сталей. Однако при этом стали характеризуются коррозионной стой-
Таблица
Показатели скорости коррозии исследуемых сталей, определённые в производственных условиях (образцы 1-4 - низкоуглеродистая сталь, образцы 5, 6 - сталь 12Х18Н9Т)_
Номер образца Прирост массы m,г Положительный показатель изменения массы К+ , г/м2-ч m 1 Отрицательный показатель изменения массы К" , г/м2-ч m Глубинный показатель коррозии Kn, мм/год Балл стойкости
1 46 0,2349 0,5480 0,6100 7
2 48 0,2222 0,5184 0,5770 7
3 50 0,2553 0,,5956 0,6630 7
4 54 0,2500 0,5833 0,6493 7
5 1 0,0019 0,0044 0,0048 2
6 1 0,0019 0,0044 0,0048 2
костью, жаростойкостью, а также жаропрочностью, хорошо обрабатываются давлением и свариваются, что немаловажно при производстве оборудования. Аустенитные стали существенно упрочняются в результате пластической деформации, по причине наклёпа их твёрдость увеличивается, повышается
малоуглеродистой стали будет потрачено 139875 руб. даже если сдавая на лом ежегодно и получая возврат по 364 руб. с тележки (5460 руб. за 15 лет), производитель хлебобулочных изделий сэкономит 113415 руб. за 15 лет использования пекарской тележки из нержавеющей стали (рис. 4).
50000
ю 45000
О.
- 40000
ГС 35000
►—
си (1> 30000
V 1 25000
л
л ф 20000
2
а> 15000
ш
о т 10000
ч 5000
45 169
36208
27247 .,,
21000 21000 )00 21000 21000
18286 /
2 3 4
Период эксплуатации, год
-Ряд1
Ряд2
Рис. 4. Сравнительный анализ затрат на пекарские тележки по годам (ряд 1 - тележки из нержавеющей стали,
ряд 2 - тележки из низкоуглеродистой стали)
сопротивление изнашиванию. Этот комплекс свойств отвечает требованиям, предъявляемым к сплавам, из которых может быть изготовлено оборудование предприятий пищевой промышленности, работающее в рассматриваемых условиях.
Проведя ряд несложных математических расчётов, можно получить картину экономической выгоды при применении пекарских тележек из нержавеющей стали. Так, стоимость одной пекарской тележки из малоуглеродистой стали, применяемой сегодня на ЗАО «Иркутский хлебозавод» составляет 9325 руб. Необходимость замены вышедших из строя по причине коррозионного разрушения вышеупомянутых тележек возникает ежегодно в 100%-соотношении, т.е. одна тележка служит один год. На тележку из нержавеющей стали стоимостью 21000 руб. производители дают гарантированный срок службы минимум 15 лет. Следовательно, за такой же период на тележку из
Из представленной на рис. 4 схемы сравнительного анализа затрат по годам на пекарские тележки из низкоуглеродистой и нержавеющей стали видно, что эксплуатация тележки из нержавеющей стали уже через 2 года и 4 месяца приведёт к экономии денежных средств предприятия. Таким образом, экономический расчёт свидетельствует о целесообразности замены оборудования. Также необходимо учесть, что при использовании современного оборудования облегчается труд работников данного производства, снижается загрязнение окружающей среды при утилизации пришедших в негодность пекарских тележек из низкоуглеродистой стали.
На основании всех изложенных данных можно рекомендовать производителям хлебопекарного оборудования использовать для изготовления пекарских тележек нержавеющую сталь.
1. Бубнов А.С. Механика стесненного деформирования при производстве маложестких изделий // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2012. № 4. С. 815.
2. Сапрыгина С.И., Гусева Е.А. Исследование микроструктуры образцов стали хлебопекарного оборудования // Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 24-5 апреля 2012 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. С. 39-40.
3. ГОСТ 9. 908-85. Единая система защиты от коррозии и старения. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости; введен с 01.01.1987 г. М.: Изд-во стандартов, 1999. 6 с.
4. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. 472 с.
Библиографический список
5. Сапрыгина С.И., Гусева Е.А. Исследование коррозионной стойкости образцов стали хлебопекарного оборудования // Жизненный цикл конструкционных материалов: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013.
6. Васильев В.Ю., Пустов Ю.А. Коррозионная стойкость и защита от коррозии металлических, порошковых и композиционных материалов: учеб. пособие. М.: Изд-во МИСиС, 2005. 130 с.
7. Защита от высокотемпературной коррозии железоуглеродистых сплавов при их термической обработке / Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН (г. Н. Новгород); Институт общей и неорганической химии НАН Украины [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.neohim-nnov.ucoz.ru
