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

Американские племена по-видимому не имели металлических орудий труда вплоть до культуры чавин (IX век до н. э.). У мочика уже имелись металлическое оружие, ножи и посуда. Даже бедные металлами инки имели плуги с металлическими наконечниками по меньшей мере с момента завоевания Чимора. Хотя археологические исследования в Перу далеки от завершения и считается, что почти все кипу (приспособления для записи информации в форме узелкового письма, используемого Инками) были сожжены в ходе завоевания Перу испанскими конкистадорами, тем не менее некоторые археологи предполагают, что сталь могла быть получена здесь задолго до того, как была открыта в Европе.

Колыбелью ранних цивилизаций стали долины рек, такие как: долина Хуанхэ в Китае, долина Нила в Египте и долина Инда на полуострове Индостан. В то же время некоторые кочевые народы, такие как аборигены Австралии и Бушмены южной Африки, не занимались сельским хозяйством до относительно недавнего времени.

До 1800 г. большая часть человечества не принадлежала к обособленным государствам. Учёные расходятся во взглядах на то, следует ли применять термин «племя» к разновидности сообществ, в которых эти люди жили. Большая часть мира была территориями «племён» до тех пор, пока европейцы не начали колонизацию. Много племенных сообществ, в Европе и в других местах, трансформировались в государства, когда оказались под угрозой исчезновения или после нападения существующих государств. Например: маркоманны, Польша и Литва. Некоторые племена, такие как касситы и маньчжуры, были завоёваны государствами и поглощены ими.

Сельское хозяйство сделало возможным возникновение сложных сообществ — цивилизаций. Появились первые государства и рынки. Технологии расширили возможности людей взаимодействовать с природой, развивать транспорт и коммуникации.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ВИДЫ КОРРОЗИОННЫХ И КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ РАЗРУШЕНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

В пищевых отраслях химической коррозии подвергаются только некоторые аппараты и коммуникации вспомогательных цехов (холодильно-компрессорных, углекислотных, котельных). Оборудование технологических цехов в основном подвергается электрохимической коррозии. В зависимости от агрессивности среды и условий протекания электрохимических процессов распространены следующие ее виды:

• атмосферная (воздействие на оборудование и металлоконструкции вне зданий при наличии загрязнения воздуха промышленными газами);
• почвенная (разрушение подземных газопроводов, водопроводов, канализационных сетей, теплотрасс, мазутохранилищ, металлоконструкций, подземных сооружений);
• электрическая (влияние блуждающих токов на металлы);
• кислотная (растворы азотной, серной, соляной кислот при дезинфекции, молочной кислоты при подкислении заторов и т. д.);
• солевая (разрушение рассольных насосов, трубопроводов, батарей охлаждения, испарителей, оборудования натрий-катионных установок и т. п.);
• щелочная (щелочные моющие и дезинфицирующие растворы особенно сильно разрушают металлоконструкции моечных машин, воздуховоды систем вентиляции цехов розлива);
• контактная (при контакте двух разнородных металлов, имеющих разные потенциалы);
• биологическая (разрушение продуктопроводов, аппаратуры, металлических и железобетонных конструкций, расположенных в грунтах).

Бетонные и железобетонные конструкции, емкости, сборники, фундаменты оборудования пищевых предприятий подвергаются интенсивному коррозийному воздействию: физическому, биологическому и физико-химическому [2].

Химическая коррозия возникает при действии органических кислот пищевых сред на составные части цементного камня бетона и железобетона.

Биологическая коррозия является следствием жизнедеятельности микроорганизмов на поверхности строительных конструкций, смоченных пищевыми средами.

Физико-химическая коррозия вызывает разрушение строительных конструкций, например, при теплообмене с окружающей средой, при действии жидких пищевых продуктов в результате замерзания.

В зависимости от среды, материалы покрытий могут быть абсолютно или относительно неустойчивы, например полихлорвинил неустойчив в ржаной закваске.

В органических кислотах, сахарозе, моющих и других веществах, содержащихся в средах пищевых производств, стойкость полимеров достаточно велика. Универсальной стойкостью к пищевым средам обладают композиции на основе эпоксидной смолы. Стойкость защитных покрытий из различных полимеров, определяемая путем изменения внешнего вида и способности к набуханию, под действием некоторых органических сред пищевых производств меняется в широких пределах.

Высокие требования к надежности технологического оборудования пищевых производств обусловлены тем, что в большинстве случаев отказы в работе приводят к нарушению технологического процесса и потере продукта.

Как правило, моральный срок службы современного оборудования не превышает 5 лет, физический срок службы при проектировании закладывается в пределах 5–7 лет. С другой стороны, необходимо знать, как задается время амортизационных отчислений, в течение которого стоимость оборудования полностью списывается на себестоимость выпускаемой продукции [3].

 

 

 

 

3.Анализ агрессивности  среды производства

 

Технологические среды пищевых производств по составу и свойствам можно условно разделить на органические и неорганические. К органическим средам относятся органические углеродосодержащие соединения растительного и животного происхождения. К неорганическим — химически активные водные растворы неорганических кислот, щелочей, солей и др.

Грунт – очень агрессивная коррозионная среда, которая состоит из множества элементов. Коррозионная агрессивность почвы (грунта) определяется некоторыми факторами: влажностью, рН, аэрацией, составом почвы, пористостью, электропроводностью. По коррозионной активности грунты различают: высокой, средней, низкой агрессивности. Глинистые грунты способны долго удерживать в себе влагу, за счет чего считаются наиболее агрессивными в коррозионном отношении. Песчаные в коррозионном отношении практически инертны. Торфяные, глинистые, болотные почвы, содержащие большое количество органических кислот обладают сильным негативным воздействием на находящийся в них металл. рН этих грунтов имеет повышенное либо пониженное значение (оптимальное значение – 6 – 7,5), за счет чего коррозионные процессы ускоряются. Влага, которая находится в почве, ускоряет прохождение процессов коррозии, превращая почвенную среду в электролит, и способствует прохождению именно электрохимических коррозионных процессов. Влага легче проходит сквозь почву, если почва имеет более пористую структуру. При наличии в грунте растворенных солей и различных минералов он становится более электропроводным, электродные процессы на катоде и аноде протекают легче, что является причиной увеличения скорости почвенной коррозии. Высокая неоднородность грунта также влияет на скорость почвенной коррозии. Возникают гальванические элементы, из-за которых коррозионное разрушение носит неравномерный характер. В грунтах живет множество различных микроорганизмов, которые оказывают очень большое влияние на коррозионную агрессивность почв. Коррозионное разрушение, вызванное наличием и жизнедеятельностью живых организмов носит название – биокоррозия. Микроорганизмы в почве могут существовать при наличии кислорода и без него. Среди бактерий, которые оказывают очень сильное влияние на почвенную коррозию, можно выделить серобактерии, железобактерии и анаэробные сульфатредуцирующие бактерии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.ХАРАКТЕРНЫЕ ВИДЫ КОРРОЗИИ  И ИЗНОСА

 

К основным критериям работоспособности оборудования и их отдельных деталей относятся: прочность, жесткость, износостойкость, тепло- и хладостойкость, виброустойчивость, коррозионная стойкость.

Для элементов технологического оборудования, контактирующего с пищевыми средами или моющими средствами, особо важную роль играет коррозионная стойкость. Под коррозионной стойкостью понимается способность поверхностей элементов машин и аппаратов противостоять воздействию пищевых сред, продуктов, моющих и дезинфицирующих растворов с учетом тепловых воздействий, скоростей истечения рабочих сред, значительных перепадов давления и т. д.

Износ является наиболее характерным видом разрушения поверхностей рабочих органов и деталей оборудования.

Износ есть результат процесса постепенного изменения размеров детали, происходящего под действием поверхностных сил при трении и связанного с потерей массы. Различным видам изнашивания наиболее подвержены трущиеся детали рабочих органов технологического оборудования: уплотнительные кольца торцовых уплотнителей центробежных насосов, сепараторов, центрифуг; подшипники скольжения; плунжеры насосов; манжетные уплотнения; гильзы цилиндров-дозаторов; ножи резательных машин, мясорубок, волчков, куттеров и т. д.

Под тепло- и хладостойкостью при конструировании понимают способность деталей оборудования сохранять работоспособность при повышенных или низких температурах, а также при циклических колебаниях температуры. Как правило, это обеспечивается только правильным выбором материала [4], [5].

 

 

 

5.ФАКТОРЫ, УСКОРЯЮЩИЕ КОРРОЗИЮ И ИЗНОС

 

Скорость и характер процесса электрохимической коррозии определяются внутренними, внешними, механическими и конструктивными факторами.

Внутренние факторы электрохимической коррозии связаны с природой металла, его структурой, составом, состоянием поверхности, напряжениями в металле и др.

Внешние факторы коррозии определяются условиями протекания коррозионного процесса, такими, как характер среды, скорость ее движения, температура раствора и др.

Механические факторы – это коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, коррозионная кавитация. Конструктивные факторы определяются конструктивными особенностями химических машин и аппаратов [6].

 

Внутренние факторы коррозии

К внутренним факторам относятся следующие характеристики металла: термодинамическая устойчивость, положение в периодической системе Менделеева, структура и тип сплава, наличие примесей, внутренние напряжения и др.

Для оценки возможности самопроизвольного разрушения металла необходимо определить знак изменения изобарно – изотермического потенциала этого процесса или сравнить значения обратимых потенциалов анодного икатодного процессов.

Термодинамическую устойчивость металла можно приближенно оценивать по величине стандартных электродных потенциалов. Сдвиг потенциала в сторону более положительных значений можно рассматривать как повышение термодинамической устойчивости металла. Однако теоретическая возможность протекания данного коррозионного процесса говорит не о реальной скорости коррозии. В качестве примера рассмотрим следующий.

Стандартные значения потенциалов алюминия и железа соответственно равны – 1,67 В и – 0,44 В, т. е. с термодинамической точки зрения алюминий более склонен к коррозии. Однако алюминий устойчив, а железо нестойко в разбавленной серной кислоте, что связано с образованием пассивной пленки на алюминии.

Положение металла в периодической системе однозначно не характеризует его коррозионную стойкость, тем не менее в отношении коррозионного поведения наблюдаются достаточно определенные закономерности.

Наиболее коррозионно-неустойчивые металлы находятся в главных подгруппах I и II групп. Это щелочные и щелочноземельные металлы. В побочных подгруппах I и II групп коррозионная стойкость растет по мере возрастания атомного номера (Cu – Ag – Au, Zn – Cd – Hg). В побочных подгруппах IV и VI групп и в VIII группе находятся легко пассивирующиеся металлы, причем с ростом атомного номера склонность к пассивации в первом приближении падает (Ti – Zr – Hf, Cr – Mo – W).

Наиболее коррозионностойкие металлы находятся в восьмом ряду группы VIII (Os, Ir, Pt), а также Au в побочной подгруппе I группы. Структура металла оказывает различное влияние на скорость коррозии.

Так, укрупнение зерна не приводит к увеличению общей коррозии, но способствует развитию межкристаллитной.

Металлические сплавы по структуре можно разделить на две группы:

- гетерогенные (двухфазные, с включением  избыточных фаз, композиционные);

- гомогенные (твердые растворы, интерметаллиды, аморфные сплавы).

Структура сплава в значительной мере определяет характер протекания коррозионного процесса. Коррозионное разрушение сплава типа «механическая смесь» будет определяться как атомным (массовым) соотношением, так и взаимным расположением фаз, выполняющих роль катода и анода. Если фазы распределены равномерно и доля анодной составляющей невелика, то коррозия будет сплошной, равномерной. При неравномерном распределении анодной фазы коррозия будет локальной, очаги коррозии при этом будут распространяться вглубь.

При электрохимической коррозии гетерогенного двухфазного сплава наблюдается чаще всего структурно-избирательная коррозия, при которой происходит преимущественное растворение электрохимически более отрицательной фазы или менее пассивирующейся и накопление на поверхности более устойчивой в коррозионном отношении, фазы.

 

 

 

Рассмотрим два примера: в одном случае в железе находится примесь с более положительным электродным потенциалом (рис.1.1,а), в другом – с более отрицательным электродным потенциалом (рис. 1.1,б).

Составим электрохимическую систему для обоих случаев:

 

 

В первом случае железо является более активным, и в коррозионном элементе будет играть роль анода, а никель с более положительным потенциалом будет катодом:

 

 

Во втором случае железо с более положительным электродным потенциалом будет играть роль катода, а марганец с более отрицательным электродным потенциалом – анода:

Таким образом, примеси с более положительным электродным потенциалом, чем потенциал основы, будут ускорять электрохимическую коррозию, а примеси с более отрицательным электродным потенциалом - замедлять.

В гомогенном сплаве типа «твердый раствор» атомы различных компонентов сплава не теряют полностью своей индивидуальности. Атомы металла, более коррозионностойкого в данных условиях, остаются таковыми и в сплаве, и активность атомов сплава по отношению к коррозионному раствору не выравнивается. Это объясняется тем, что при образовании сплава типа «твердый раствор» термодинамическая активность атомов сплава незначительно отличается от термодинамической активности атомов в чистом металле. Свободная энергия атомов при образовании сплава уменьшается примерно на 4,8 кДж на 1 г-атом, что соответствует изменению электродного потенциала металла на 20 мВ.

При образовании сплава не происходит нивелирования способности различных атомов к хемосорбции. Так, в сплаве железо – хром атомы хрома легче образуют хемосорбционную связь с кислородом, легче пассивируются

по сравнению с железом.

Таким образом, поверхность сплава типа «твердый раствор» не является гомогенной. В этом случае в начальной стадии коррозии наблюдается компонентно – избирательная коррозия. Поверхность постепенно обогащается более электроположительными включениями. Причем обогащение поверхности твердого раствора атомами более устойчивого в данных условиях компонента происходит независимо от того, вызвана ли эта устойчивость их термодинамической стабильностью или большей склонностью к переходу в пассивное состояние. Например, поверхность сплава цинк – никель (18 % никеля) в процессе хранения в коррозионной среде постепенно обогащается атомами никеля.