УДК 338.45:66

Коррозийный износ и оценка старения

химико-технологического оборудования

 

Т.А. Афанасьева

Ивановский государственный химико-технологический университет

 

Проведен обзор и анализ изменения характеристик надежности ХТО в процессе его эксплуатации в следствии влияния коррозийной среды. Предлагаются рекомендации повышения надежности ХТО с учетом параметров, характеризующих воздействие коррозии и факторов, повышающих надежность ХТО.

Известно, что в процессе эксплуатации изменяются свойства функционирующего объекта, в том числе изменяются показатели его надежности.

Оборудование химико-технологиче-ских производств изготавливается в основном из различного вида металлов. В химических производствах оно особенно сильно подвергается коррозионному износу из-за воздействия агрессивных химических сред, высоких температур и давлений. Проблеме коррозии посвящено много исследований, накоплен большой опыт работниками химической, металлургической, пищевой и др. отраслей промышленности, где коррозия проявляется как угроза катострофических последствий [1-5]. Определение коррозии, металла и др. материалов, коррозионные процессы, их классификация, природа происхождения и протекания, влияние коррозии на состояние технических устройств, - вот неполный перечень проблем и причин, оказывающих влияние на надежность ХТО и подлежащих в определенной степени освещению, для принятия соответсвующих мер с целью уменьшения (исключения) этого явления. Борьба с коррозией занимает важное место при ведении химико-технологических процессов и поддержании технологического оборудования в работоспособном (надежном) состоянии. Потери от коррозии составляют значительную долю средств, вкладываемых в производство. Они связаны, во-первых, с преждевременным выходом из строя технологической аппаратуры, что требует или полной замены такого оборудования, или дополнительных расходов на восстановление (ремонт) неисправного аппарата, машины. Во-вторых, убытки обуславливаются необходимостью затрат на борьбу с коррозией, защиту технических средств от потери надежности в следствии коррозионных процессов. Прогнозирование возникновения коррозии, динамики развития этого процесса и протекания, а также результаты испытаний и справочные материалы могут помочь в решении вопроса повышения надежности оборудования, подвергающегося коррозионному износу.

Проблемы, которые приходится решать в связи с появлением (возникновением) и развитием коррозионных процессов, определяются государственными стандартами.

ГОСТ 9.101-78 устанавливает определение, назначение, структуру и состав единой системы защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений (ЕСЗКС), правила наименования и обозначения стандартов системы.

ЕСЗКС – комплекс взаимосвязанных государственных стандартов, устанавливающих общие для всех видов материалов и изделий требования, правила, нормы и методы по обеспечению защиты от их коррозии, старения и биоповреждений на стадиях разработки, производства и эксплуатации (хранения).

Стандарты ЕСЗСК способствует решению следующих задач:

·        повышению сохраняемости и долговечности изделий за счет применения комплексной защиты от коррозии, старения и биоповреждений;

·        увеличению сроков хранения изделий без переконсервации;

·        унификации и сокращению номенклатуры применяемых средств и методов защиты, методов испытаний;

·        сокращению расходов на мероприятия по защите изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений в результате рационального конструирования изделий, повышения качества и совершенствования технологии применения средств и методов защиты.

ГОСТ 9.311-87 определяет метод оценки коррозионных поражений металлических и неметаллических неорганических покрытий по изменению внешнего вида после коррозионных испытаний, дефектации образцов при эксплуатации и хранении. Метод заключается в визуальном определении вида коррозионных поражений образцов с последующим измерением площади, занятой этими поражениями.

При невозможности непосредственного измерения очаг коррозийного поражения очерчивают прямоугольной фигурой и вычисляют ее площадь по формуле:

,

где i – А, Б,…N – виды коррозионных поражений по табл.1 ГОСТ 9.311-87;

      n – количество коррозионных очагов i-того вида поражения;

      Sik – площадь одного n-го коррозионного очага i-того вида поражения, см2.

Слово коррозия латинского происхождения, в переводе означает «разъедание». Коррозией называют разрушение металлов или сплавов в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой [2]. Химическая коррозия металлов имеет место в неэлектролитах. В электролитах коррозия сопровождается возникновением электрического тока и поэтому называется электрохимической. Известно, что коррозия определяется следующими факторами: материал, из которого изготавливают химико-технологическое оборудование и состояние его поверхности; параметры проводимого в этом оборудовании химико-технологического процесса; сырье и материалы, находящиеся в оборудовании в процессе обработки и т.д. Это и определяет надежность оборудования. Сырье и материалы, перерабатываемые для получения продукции, являются той агрессивной средой, которая вызывает коррозийные процессы. Влияние различных факторов и особенно окружающей среды, условий, способствующих возникновению и развитию коррозии, следует учитывать при проектировании оборудования для надежной его эксплуатации.

Технологическое оборудование различных отраслей промышленности (производство строительных материалов, отделочное производство в текстильной и легкой промышленности, пищевой и металлургической промышленностях и т.д.) и тем более химической промышленности, в основном, изготавливается, как было сказано выше, из металла. Но не только металл служит исходным материалом для изготовления технологического оборудования в названных и других отраслях промышленности.

Современное развитие многих отраслей промышленности стало возможным благодаря внедрению таких материалов, как высококачественная керамика, пластмассы, кислотоупорные цементы, дерево, уголь, графит, битумные материалы, материалы на основе каучука, литые силикатные материалы, лакокрасочные покрытия и т.д. В производствах, где применялись высоколегированные стали, цветные металлы, в настоящее время применяют неметаллические материалы неорганического и органического происхождения.

Физико-химические свойства таких материалов представлены в справочнике [2], опубликованном под редакцией Н.А.Доллежаля. Помимо низкой стоимости и доступности к неметаллическим химически стойким материалам предъявляются следующие требования:

1.      Химическая стойкость, т.е. способность материала противостоять химическому воздействию агрессивной среды.

2.      Термическая стойкость, т.е. способность материала противостоять действию повышенной температуры и резкой перемене ее без изменения свойств и формы.

3.      Непроницаемость, т.е. свойства металла не пропускать жидкость или газы.

4.      Механическая прочность, т.е. способность материала сопротивляться растяжению, сжатию, изгибу и т.д.

5.      Небольшой объемный вес.

6.      Легкость обработки.

7.      Хорошая сцепляемость с другими материалами (для футеровки, покрытия, облицовки и т.д.)

Перечисленными свойствами идеально не может обладать ни один материал (металлический, неметаллический). Поэтому, для соответствующей коррозионной среды должен быть выбран определенный вид материала. Например, растворы едких и углекислых щелочей действуют разрушающе на все силикатные материалы, кремнезем которых образует с гидроокисью щелочного металла растворимые соединения. Портланд – цемент и др. марки гидравлических вяжущих, в основном состоящие из силикатов кальция и нестойкие во всех минеральных кислотах (кроме фосфорной), стойки в щелочных растворах. Химическая стойкость материалов органического происхождения зависит от строения их молекул и молекулярного веса. Чем больше молекулярный вес вещества, тем оно более инертно. Высокомолекулярные вещества (фенолформальдегидные смолы, поливинилхлорид и т.д.) химически весьма стойки. Химическая стойкость бутумных материалов объясняется преобладанием в их составе сложных углеводородов. Насыщенные высокомолекулярные соединения (парафин, полиэтилен) более стойки, чем ненасыщенные. На физико-механические свойства высокополимерных конструкционных материалов оказывают влияние степень полимеризации, разветвленность цепей и другие причины.

Всякого рода включения и прожилки ослабляют химическую стойкость материала, т.к. разрушение обычно начинается на их границах.

Выбор материала для изготовления машин и аппаратов, как уже было сказано выше, играет значительную роль в обеспечении надежности ХТО, но основным материалом все-таки является металл. Конструкторы пользуются справочными материалами при определении коррозионной стойкости металла. Классификация стойкости металлов разделяет их на шесть групп: I – совершенно стойкие (скорость коррозии < 0,001 мм/год), II – весьма стойкие (до 0,01 мм/год), III – стойкие (до 0,1 мм/год), IV – относительно стойкие (до 1,0 мм/год), V – малостойкие (от 1,0мм/год до 10 мм/год), VI –нестойкие (свыше 10 мм/год).

Скорость коррозии какого-либо металла выражается в г/м2час по данным потери веса образца металла, отнесенной к единице площади за определенный промежуток времени (в случае равномерной коррозии).

Возникновение, развитие и протекание коррозии возможно под влиянием агрессивной-коррозионной среды – это газы, неэлектролиты (химическая коррозия) и электролиты (электрохимическая коррозия). Для протекания процессов коррозии необходимо наличие воды или водного раствора за исключением высокотемпературной коррозии, при которой металлы в условиях повышенных температур реагируют непосредственно с газовой фазой [1]

А.Г.Кульман [94], формулируя понятие коррозии, предлагает три основных признака: 1.Коррозия по своей химической природе – процесс окислительный. 2. Коррозия – топохимически (греч. topos – место, местность) поверхностный процесс. 3. Коррозионные процессы возникают и протекают самопроизвольно (разрушение, вызываемое химическим или электрохимическим взаимодействием металла (материала) с окружающей средой.

А.Г.Кульман, называя эти три признака коррозии, по существу предлагает классификацию коррозии в зависимости от природы этого явления.

По условиям протекания можно назвать следующие виды коррозии: атмосферную, подводную, подземную, биокоррозию, контактную, щелевую, под напряжением, при трении, газовую и др.

Газовая коррозия часто встречается в промышленности [1 т.Х], например, коррозия металлов при термообраьотке, коррозия металлов нагревательных печей и др. Большое влияние на скорость газовой коррозии (а это всегда снижение надежности технических средств) оказывают температура и состав газовой среды. Зависимость газовой коррозии от температуры приближенно описывается уравнением Аррениуса [6]:

где k – скорость реакции;

      А и В – константы;

      Т – абсолютная температура, К.

Дополнительное влияние оказывают вторичные реакции, вид и свойства продуктов коррозии, которые стимулируют снижение надежности химико-технологического оборудования.

А.Г.Кульман [5], сопоставляя различные виды коррозии, для наглядности приводит на стр. 349 схему коррозии металлов по внутреннему механизму процессов, лежащих в их основе. На практике коррозия металлов не всегда протекает по какому-нибудь одному механизму, часто этот процесс имеет комплексный характер, и далее отмечается, что многие сложные комплексные процессы полностью не выяснены до сих пор.

По характеру коррозионного разрушения различают сплошную (общую) и местную коррозии. В справочнике “Надежность и эффективность в технике» [1 том Х] приводятся иллюстрации сплошной (рис.1) и местной (рис.2) коррозии. Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла, находящегося под ее воздействием и разделяется: на равномерную, протекающую с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла; на избирательную, при которой разрушается одна структурная составляющая сплава или один компонент сплава.

Все изложенное выше имеет прямое отношение к решению вопросов обеспечения надежности химико-технологических систем ХТС. Но при анализе состояния ХТС (по отношению к коррозии) нельзя строго однозначно отнести к положительному или отрицательному влиянию на надежность составляющих этой системы (машины и аппараты, химико-технологический процесс изготовления продукции, среда в аппарате – сырье и материалы, полученный но не выгруженный продукт). Например, бывает весьма сложно выдерживать требования технологического регламента по поддержанию параметров процесса на соответствующем уровне (изменение температуры, давления, концентрации веществ и т.п.). Отклонения параметров могут привести к возникновению коррозии, росту ее скорости, т.е. к снижению надежности работы не только отдельных элементов, но и всей химико-технологической системы. Поэтому, исследование процессов коррозии и разработка эффективных средств защиты от коррозии является важной задачей обеспечения надежности работы химико-технологического оборудования, ведения химико-технологических процессов, функционирования всей химико-технологической системы.

Все используемые в практике методы защиты от коррозии классифицируются по характеру их воздействия:

1.      Методы воздействия на металлы;

2.      Методы воздействия на среду;

3.      Методы воздействия на конструкцию [1 том Х].

Методы воздействия на конструкцию могут оказать существенное влияние на защищенность изделия (машины, аппарата, прибора, инструмента  и т.д.) от коррозионного воздействия. При конструировании, во-первых, выбирается материал для изделия (коррозионностойкие металлы и сплавы), во-вторых, большое значение имеет то или иное покрытие поверхности изделий, т.к. контакт с металлами и неметаллами может вызвать опасность контактной коррозии. При использовании в конструкциях неметаллических изоляционных материалов, которые впитывают влагу (войлок, асбест, древесина), можно вызвать очаги усиленной коррозии. Опасным в коррозионном отношении является наличие на изделиях шероховатой (негладкой) поверхности, зазоров, щелей и т.д. При конструировании специалисты обращают усиленное внимание на характер крепежных соединений (сварка, клепка, болтовые соединения). Особенности эксплуатации изделий должны учитываться конструкторами для защиты изделий от коррозии, необходимо создавать специальные приспособления, использовать специфические методы защиты.

 

литература

1.        Надежность и эффективность в технике [Текст]: справочник: В 10Т. - М.: Машиностроение, 1986.

2.        Коррозионная и химическая стойкость материалов [Текст]: справочник /Под ред. Н.А.Доллежаля – М.: Машгиз, 1954.

3.        Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии [Текст]: Справ. руководство / Под ред. В.Б.Строкана, А.М.Сухотина. – Л.: Химия, 1987.

4.        Глазунов, М.П. Методы исследования процессов коррозии [Текст] / М.П. Глазунов. // Обмен опытом в радиопромышленности. – 1984. – Вып.2 - С.20-23.

5.        Кульман, А.Г. Общая химия [Текст] / А.Г. Кульман. – М.: Изд-во. сельскохоз. Литер, 1961.

6.       Королев, Ю.В. Защита оборудования от коррозии [Текст] / Ю.В. Королев, В.Е. Путилов. - Л.: Машиностроение, 1973.

 

corrosion deterioration and an estimation of ageing

of the chemical-process equipment

T. Afanasjeva

 

The review and the analysis of change of characteristics of reliability ХТО is lead during his operation in consequence of influence коррозийной environments. Recommendations of increase of reliability ХТО are offered in view of the parameters describing influence of corrosion and factors, raising reliability ХТО.