Аналіз корозійних та корозійно-механічних руйнувань конструкційних матеріалів і розробка антикорозійного захисту технологічного обладн

 

Пректирование промышленных агрегатов

Качество проектирования, определяемое главным образом соответствием оборудования требованиям выполняемого технологического процесса и необходимым уровнем базовой надежности, во многом зависит от правильного понимания структуры агрегатов, знания особенностей и условий их эксплуатации, а также устройств и элементов, из которых они состоят.

Агрегат представляет собой систему (комплекс) взаимосвязанных технологическим процессом устройств, обеспечивающих выпуск продукции. Эта взаимосвязь может выражаться в электрических или механических связях, в транспортных потоках жидких материалов или сырья.

Процесс проектирования можно разделить на три основных этапа:

1.Разработка общей схемы и  структуры агрегата;                

2.Разработка конструкций механического оборудования, технологических аппаратов и установок;

3. Проектирование передаточных  устройств.

На первом этапе разработку общей схемы агрегата необходимо начинать с выбора технологического процесса и определения последовательности технологических операций. На основании выбранной последовательности операций следует разрабатывать схематический план расположения установок и оборудования (эскизный проект), выбирать их тип и определять основные параметры - размеры, мощность, производительность и т.д. Затем следует преступить непосредственно к разработке конструкций оборудования, технологических аппаратов, установок и передаточных устройств. После завершения проектирования отдельных устройств необходимо создать окончательные рабочие чертежи плана расположения установок и оборудования.

При разработке общей схемы агрегата, как правило, возможно несколько вариантов ее осуществления, обеспечивающих эквивалентные технологические решения. Поэтому для обеспечения максимальной надежности агрегата необходимо на этом этапе выбрать такой вариант, при котором условия работы оборудования будут наилучшими. Следует отметить, что этот этап не требует больших затрат; при принятии правильного технологического решения создается возможность обеспечить надежность без больших затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт.Вопрос о выборе технологической схемы агрегата следует рассматривать обязательно с учетом особенностей эксплуатации, т.е. проанализировать условия эксплуатации оборудования при заданном технологическом процессе, и влияние предшествующих процессов на его работу.

На втором этапе проектирования необходимо прежде всего выбрать такие конструкции оборудования, аппаратов и установок, чтобы основные требования, предъявляемые к ним, достигались наиболее экономичным, надежным и простым способом. Большое внимание должно быть уделено выбору оптимальных конструкций отдельных деталей и узлов и тщательной разработке детальных чертежей, так как именно на этой завершающей стадии проектирования и происходит обычно наибольшее число ошибок.

При проектировании механического оборудования необходимо учитывать характер разрушений, которые в основном можно разделить на два вида:

1. Аварийное, связанное с опасностью для персонала, простоями и последующими потерями производства, вызываемое большими перегрузками вследствие нарушения технологической дисциплины, избыточными вибрациями или несоответствием конструкции назначению. Этому разрушению подвергаются, как правило, незначительно изношенные детали, момент разрушения которых почти невозможно предсказать заранее. В таком случае обычно не удается быстро ликвидировать неисправность и необходим дорогостоящий восстановительный ремонт;
2. Постепенное, возникающее вследствие износа, коррозии, ползучести, пластической деформации, усталости и т.д.

Такое разрушение может быть обнаружено до аварийной поломки. Для его ликвидации принимают соответствующие меры по ремонту или замене узла в процессе работы агрегата или во время запланированной остановки на ремонт.

На третьем этапе, разрабатывая передаточные устройства, прежде всего необходимо устанавливать принципиальную схему и выбирать соответствующее гидравлическое, транспортное и другое оборудование и аппаратуру. Это следует выполнять одновременно с проектированием механического оборудования, связанного с устройствами, поддерживая тесную связь между соответствующими конструкторскими подразделениями. Как и на втором этапе, следует анализировать условия работы передаточных устройств и предусматривать меры по обеспечению их надежности. При этом, как и при проектировании механического оборудования, необходимо учитывать особенности разрушения передаточных устройств, которое можно разделить на два основных типа:

• механическое, вызываемое избыточным давлением, утечками и загрязнением энергоносителя, приводящими к быстрому выходу из строя элементов устройств; такие отказы часто вызывают аварийную остановку связанного механического оборудования или даже всего агрегата;
• постепенное, происходящее вследствие износа и обычно сопровождаемое утечками энергоноситель через образовавшиеся неплотности и снижением скорости и мощности гидро- или пневмоприводов; это разрушение довольно часто остается незамеченным при режимах, не достигающих критических.

Основным средством борьбы с разрушением первого типа является применение быстродействующих приборов обнаружения мест разрушения. Для этого предусматривают контрольные точки для замера давлений, расходов, температуры и соответствующую контрольную и регулирующую аппаратуру. Определением контрольных точек и аппаратуры значительно упрощается, если в соответствии с технологическим назначением предварительно правильно выбрано оборудование передаточных устройств. Разрушение второго типа (прогрессирующее) можно легко обнаружить контролем параметров основных элементов передаточных устройств, например, скорости перемещения и усилия на плунжере гидропривода. Для этого в проекте предусматривают соответствующую аппаратуру.

Обеспечение техногенной безопасности оборудования при конструировании и изготовлении

Достижение высокой техногенной безопасности оборудования обеспечивается контролем базовой надежности и применением различных методов конструирования, а также учетом факторов инженерной психологии, обеспечивающих в конечном итоге максимальную надежность системы человек-машина.

Контроль надежности включает три основные стадии:

1. Предварительный сравнительный  анализ надежности различных  вариантов конструкции, в результате  которого выбирают окончательный  вариант.

2. Анализ надежности окончательного  варианта конструкции оборудования.

3. Испытание опытного образца оборудования и сравнение данных испытаний с результатами контроля надежности на второй стадии для установления соответствия расчетной и базовой надежности, определенной на основании испытаний.

Одним из методов повышения надежности при отсутствии ограничений в массе, объеме и стоимости конструкции является создание больших запасов прочности. Для оборудования запасы прочности могут достигать десятикратных. К методам достижения высокой надежности относятся упрощение и стандартизация элементов оборудования. Уменьшение числа деталей или различных типов используемых деталей всегда способствует повышению надежности. Стандартные детали и узлы, отработанные в процессе эксплуатации на других видах оборудования, обычно характеризуются высокой вероятностью безотказной работы. Конструкция оборудования должна быть такой, чтобы неправильная сборка или неверное его использование были невозможными или, по крайней мере, затруднительными, что, в свою очередь, делает невозможными аварии по этой причине. Если предусмотрена замена узла, то следует предусмотреть также необходимые для этого средства и использование персонала по возможности более низкой квалификации. Для повышения надежности важно, чтобы в проекте учитывалось проведение различных испытаний конструкции на заводе изготовителе и в производственных условиях. Конструктор должен так выбирать принцип действия, схему оборудования и его узлов, чтобы они могли быть подвергнуты полным неразрушающим функциональным испытаниям.

Нужно также предусмотреть возможность контроля основных размеров конструкции, точности обработки поверхностей и других параметров, ухудшающихся в процессе эксплуатации, а для узлов одноразового пользования (подшипники качения, уплотнения и т.д.), проверка которых затруднена, заведомо более высокую надежность . Если конструкция требует применения специальных технологических процессов или методов изготовления, это четко отражается в чертежах и технических условиях, содержащих, кроме того, сведения относительно организации системы контроля процессов и качества изготовления. Опыт показывает, что во многих случаях пренебрежительное отношение к свойствам оборудования, достижение которых в процессе изготовления сопряжено с большими сложностями, является источником его отказа в процессе эксплуатации . Важным методом, используемым для достижения высокой надежности, является резервирование.

Один из методов резервирования заключается в применении дублирующих устройств, установленных в потоке параллельно. Поскольку при таком методе необходимо увеличить количество оборудования и пространство для его установки, конструкторы стремятся по возможности уменьшить его массу и габариты. Это иногда приводит к тому, что надежность резервируемой системы оказывается ниже, чем не резервируемой. В этих условиях целесообразно отказаться от резервирования и стремиться усилить устройства, защищающие оборудование от воздействия отрицательных факторов. И наконец, так как резервирование всегда связано с увеличением стоимости оборудования, а также расходов на его техническое обслуживание, учитывая, что эти показатели являются весьма высокими, применение этого метода обязательно должно сопровождаться экономическим анализом резервированной и нерезервированной конструкций за весь период "жизненного цикла" оборудования [44],[45].

 

 

 

 

 

7.12. ВЫБОР ЭФФЕКТИВНЫХ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ

 

Снижение коррозионной активности среды может быть осуществлено

двумя способами:

- удалением из агрессивной среды  компонентов, вызывающих коррозию  металлов;

- введением в агрессивную среду  специальных веществ, которые вызывают значительное снижение скорости коррозионного процесса. Такие

вещества называют замедлителями, или ингибиторами, коррозии[46].

 

Обработка коррозионной среды для снижения ее агрессивности осуществляется уменьшением в ней содержания деполяризатора. В растворах электролитов это достигается путем снижения содержания ионов водорода или удаления кислорода. В кислых растворах, вызывающих коррозию с водородной деполяризацией, повышают рН раствора, т.е. уменьшают концентрацию ионов водорода. В нейтральных растворах, вызывающих коррозию с кислородной деполяризацией, снижают содержание кислорода в электролите химическим, термическим, десорбционным способами. При нагревании воды или раствора электролита вследствие уменьшения растворимости кислорода происходит его удаление из агрессивной среды. Пропускание через раствор инертного газа также способствует снижению содержания кислорода в растворе. При химической обработке воды в нее добавляют восстановители, которые связывают растворённый кислород. К таким восстановителям относятся гидразин, сульфит натрия и др.

 

N2H4⋅H2O + O2 = N2 + 3H2O; (2.1)

2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4. (2.2)

 

Удалить кислород из воды можно также пропусканием ее через слои железных стружек. При этом при температуре около 85°С происходит окисление железа, в результате чего кислород связывается

 

3Fe + 2O2 = Fe3O4. (2.3)

 

Уменьшение агрессивности газовой среды сводится к изменению ее состава и созданию атмосферы, исключающей термодинамическую возможность протекания химической реакции взаимодействия металла с компонентами газовой среды.

При воздействии на железоуглеродистые стали газов, содержащих окислители, кислород и его соединения, при высоких температурах на поверхности металла происходит реакция между цементитом и этими газами

 

Fe3C + O2 = 3Fe + CO2. (2.4)

 

В результате этой реакции поверхностный слой обедняется углеродом. Обезуглероживание ведет к изменению механических свойств: уменьшается поверхностная твердость и понижается предел усталости. При наличии водорода в газовой среде при высоких температурах и давлении наблюдается

коррозия, которая резко снижает механические свойства конструкционных железоуглеродистых сталей.

Для снижения агрессивности среды в нее вводят компоненты, которые не вызывают окисления, обезуглероживания и наводороживания. Расчет состава защитной атмосферы для металлов и сплавов проводят с использованиемконстант равновесия, устанавливающихся в системе металл-газ. Для создания защитных атмосфер разработано несколько газовых смесей:

— водород-водяной пар-азот;

— водород-водяной пар-оксид углерода-азот;

— водород-водяной пар-азот-оксид углерода-диоксид углерода;

— азот-оксид углерода-водород.

В ряде случаев термическую обработку нержавеющих сталей проводят в вакууме или в атмосфере аргона.

Для снижения скорости атмосферной коррозии металла изделия помещают в герметичные чехлы из полиэтиленовой пленки, внутри которых создают атмосферу с относительной влажностью воздуха ниже критической (60%) за счет применения осушителей (силикагель). В искусственно созданной сухой атмосфере коррозионные процессы протекают очень медленно.

 

Характеристика ингибиторов

 

Замедлителями, или ингибиторами, коррозии называют вещества, введение небольших количеств которых в коррозионную среду значительно снижает скорость коррозии.

Уменьшение электрохимической коррозии при введении замедлителя может произойти вследствие торможения анодного или катодного процесса, воздействия на оба процесса или увеличения сопротивления системы при образовании на металлической поверхности пленки, обладающей пониженной электропроводностью.

Один из методов изучения механизма действия замедлителей коррозии–построение поляризационных кривых. Торможение ингибитором одной из стадий коррозионного процесса вызывает увеличение поляризации соответствующего процесса. Сравнение поляризационных кривых, полученных для данного металла в растворе с ингибитором и без него, позволяет выяснить, какой процесс преимущественно тормозится при введении данного замедлителя. По составу ингибиторы коррозии подразделяются на неорганические и органические.