Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенова С.Н. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии

Подождите немного. Документ загружается.

269

плуатационных нагрузок. Неметаллические материалы для замены

металлов при работе в контакте с агрессивными средами могут быть

как реактопластами, так и термопластами. Наибольшее распростра-

нение для изготовления оборудования в коррозионно-стойком испол-

нении получили реактопласты [23].

Замена металла на пластмассу снижает трудоемкость изготовле-

ния изделия и его стоимость. Во многих случаях применение пласт-

масс повышает долговечность деталей и оборудования, уменьшает их

вес, придает им новые эксплуатационные качества. Так, применение

пластмассовых труб повышает производительность трубопровода при

прочих равных условиях на 10-15% и значительно снижает или ис-

ключает осаждение парафина и солей [22, 23].

Типичным представителем волокнитов, использующихся в каче-

стве конструкционных материалов, является фаолит [23]. Он пред-

ставляет собой реактопласт на основе феноло-формальдегидной смо-

лы с наполнением асбестовым волокном, графитом и кварцевым пес-

ком. Асбестовое волокно повышает химическую и теплостойкость, а

также улучшает диэлектрические свойства. Из фаолита могут изго-

тавливаться трубы и фасонные части к ним, колонны, насосы и дру-

гое оборудование.

Текстолиты и стеклотекстолиты, являющиеся слоистыми мате-

риалами, получают пропиткой хлопчатобумажных тканей или стек-

лотканей фенолформальдегидными, эпоксидными, полиэфирными и

другими смолами с последующим отверждением. Они используются

как конструкционные материалы для изготовления антифрикционных

и электроизоляционных деталей, а также деталей, работающих в аг-

рессивных средах.

Графитолит (литьевой графит) относится к графитопластам, об-

ладает хорошей текучестью, что позволяет получать из него различ-

ные изделия методом холодного литья, к которым относятся центро-

бежные насосы и другие изделия сложной формы, обладающие высо-

кой химической стойкостью.

270

Стеклопластики в качестве армирующего наполнителя могут со-

держать нетканые стеклохолсты, стеклоткани различного плетения и

стеклянное волокно, которые придают пластмассам высокую механи-

ческую прочность при достаточной химической и теплостойкости.

Наибольшее увеличение прочности может быть достигнуто при ис-

пользовании непрерывного стекловолокна, которое при разработке

конструкции можно расположить с учетом направления действия

максимальных напряжений. При этом возможно создание практиче-

ски любой заданной анизотропии свойств. Получаемые в этом случае

материалы по своей удельной прочности не уступают металлам. При

всех своих преимуществах стеклопластики обладают и недостатками,

а именно – относительно высокой проницаемостью для технологиче-

ских сред и температурно-силовой зависимостью долговечности кон-

струкции [23].

В качестве связующего (полимерной матрицы) для стеклопласти-

ков используются различные синтетические смолы, главным образом

фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, фурановые и их

композиции. Для снижения стоимости стеклопластиков и придания

им определенных свойств в композиции могут вводиться наполните-

ли в виде каолина, печной сажы, мелкозернистого графита и др.

Армирование полимерной матрицы может осуществляться и вы-

сокопрочными углеволокном и бороволокном, а сами материалы но-

сят название углепластиков и боропластиков.

Необходимо помнить, что создание конструкций из стеклопла-

стиков (углепластиков и боропластиков) происходит одновременно с

получением самих материалов путем их отверждения. То есть тем

или иным способом создается заготовка изделия из армирующего на-

полнителя, пропитанного связующим, а затем за счет создания усло-

вий для протекания химических реакций осуществляется отвержде-

ние заготовки с получением готового изделия заданной формы с оп-

ределенными механическими характеристиками. Знание технологи-

ческих параметров и действующих на конструкцию нагрузок позво-

ляет создать изделие с необходимой долговечностью. Стеклопласти-

271

ки являются перспективным материалом для насосно-компрессорных

и обсадных труб и емкостного оборудования [20, 23].

Проницаемость стеклопластиковых изделий может быть существен-

но снижена дублированием термопластами, химически стойкими в пере-

рабатываемых средах. Такие материалы называются бипластмассами.

Термопласты применяют для изготовления оборудования, узлов

и деталей, не несущих больших нагрузок, а также труб, фитингов и

арматуры. В качестве конструкционных пластмасс используют по-

лиолефины (полиэтилен и полипропилен), фторопласт, пентапласт и

поливинилхлорид.

Полиэтилен имеет высокие механическую прочность и химиче-

скую стойкость к кислотам, щелочам и органическим растворителям

при температуре до 60 ºС, легко обрабатывается резанием, хорошо

сваривается. Из полиэтилена выпускаются пленки, ленты, трубы и

фасонные части к ним.

Полипропилен при тех же положительных качествах обладает

более высокой теплостойкостью (до 120 ºС), однако менее морозо-

стоек. Из полипропилена можно изготавливать пленку, трубы, элек-

тротехнические и машиностроительные детали.

Для изготовления оборудования используют фторопласты марок

Ф-3, Ф-4, 4Д и др. Температура стеклования фторопласта составляет

минус 120 ºС, поэтому его можно использовать как при температуре

до 260 ºС, так и при отрицательных температурах. Фторопласт хими-

чески стоек во всех кислотах, щелочах и растворителях, нестоек к

действию фтора и расплавов щелочных металлов.

Пентапласт – высокопрочный термопластичный полиэфир, стоек

к большей части органических растворителей, слабым и сильным ще-

лочам, слабым и некоторым сильным кислотам при температуре до

130 ºС. Из пентапласта изготавливают фитинги трубопроводов, за-

порную арматуру, трубы, детали насосов и др.

В промышленности применяется поливинилхлорид двух типов:

жесткий – винипласт и пластифицированный – пластикат. Винипласт

имеет высокую механическую прочность и химическую стойкость к

272

действию кислот и щелочей до 60 ºС. Винипласт обладает хорошими

технологическими свойствами: легко обрабатывается резанием, хо-

рошо сваривается, склеивается, формуется, прессуется и штампуется.

Пластикат отличается пониженной проницаемостью, эластичностью

и высокой химической стойкостью [23].

Армированные термопласты могут использоваться для изготов-

ления крупногабаритной аппаратуры. В настоящее время наиболее

известен армированный полиэтилен, в котором механические нагруз-

ки воспринимают армирующие волокна.

6.2. Неметаллические материалы для защитных покрытий

Неметаллические коррозионно-стойкие материалы используются

не только как конструкционные, но и как защитные покрытия. Выбор

вида защитного покрытия определяется многими факторами [20, 22,

23]:

 назначением;

 габаритными размерами;

 местом установки;

 наличием внутренних устройств;

 стойкостью применяемых для защиты материалов к агрессив-

ным средам и т. п.

Для защиты металлического оборудования могут применяться

пластмассовые защитные покрытия, резиновые покрытия, лакокра-

сочные покрытия и футеровочные плитки. В нефтяной отрасли наи-

большее применение нашли лакокрасочные покрытия.

Пластмассовые защитные покрытия получают обкладкой аппара-

тов листами или приклеиванием пленки соответствующего материа-

ла, также могут использоваться вкладыши. Процесс монтажа вкла-

дыша состоит из прихватки между собой раскроенных элементов, их

сварки, установки собранных элементов в аппарат, сварки по месту и

защиты штуцеров.

273

Покрытия порошковыми полимерными материалами можно по-

лучить двумя методами: газопламенным или вихревым напылением и

нанесением из суспензий. Газопламенное напыление используется

для нанесения покрытий из полиэтилена, полипропилена, полиами-

дов и других полимеров. Метод нанесения пластмассовых порошков

из суспензий применяется главным образом для нанесения фторопла-

стовых покрытий.

Защита металлического оборудования материалами на основе

каучуков – резинами, эбонитами, герметиками – называется гумми-

рованием. Существует два вида гуммировочных покрытий: из листо-

вых материалов, получаемых оклеиванием с последующей вулкани-

зацией, и жидких резиновых и эбонитовых смесей. К гуммировочным

также относятся латексные покрытия.

При выборе схемы покрытия необходимо учитывать условия

эксплуатации оборудования, особенно гидродинамическое состояние

среды, ее агрессивность и эрозионное воздействие.

Покрытия на основе химически стойких лаков, красок и эмалей

обладают целым комплексом ценных свойств. Они не имеют швов,

обладают достаточно высокой адгезией (высоким сцеплением) к ме-

таллической и бетонной поверхности, просты в получении, относи-

тельно дешевы и легко ремонтируются. Химически стойкие лакокра-

сочные материалы применяют для защиты резервуаров хранения

нефти и нефтепродуктов, трубопроводов, очистных сооружений и т. п.

В зависимости от условий эксплуатации лакокрасочные покры-

тия подразделяются на стойкие к воздействию климатических факто-

ров и стойкие в особых средах. Условия эксплуатации классифици-

руются следующим образом [22, 23, 24, 34]:

У – умеренный климат;

УХЛ – умеренный и холодный;

ХЛ – холодный;

ТВ – тропический влажный;

ТС – тропический сухой;

274

Т – тропический;

О – любой, кроме очень холодного;

М – умеренно морской;

ТМ – тропический морской;

ОМ – тропический морской и умеренно холодный;

В – любой.

Кроме этой классификации имеется понятие «категория изде-

лия», которым пользуются для указания мест размещения изделий

при продолжительной эксплуатации [24]:

 категория 1 – на открытом воздухе;

 категория 2 – под навесом или в неотапливаемых помещениях

и т. д.

Классификация покрытий, стойких в особых средах, приведена в

табл. 6.1.

Из большой группы существующих лакокрасочных материалов

широко применяются покрытия из термореактивных полимеров и не-

сколько реже – на основе термопластичных полимеров, а именно на

основе перхлорвиниловых смол и сополимеров винилхлорида.

Покрытия на основе эпоксидных эмалей имеют высокую химиче-

скую стойкость в условиях воздействия агрессивных газов, паров

слабой и средней степени агрессивности, горячих растворов щелочей,

слабых растворов кислот, бензина, масел. Они получили наибольшее

распространение для защиты от коррозии. Эпоксидные смолы под-

разделяются на две большие группы: диэпоксидные и полиэпоксид-

ные. Смолы второй группы имеют более высокую термостойкость.

Выпускается большой ассортимент химически стойких эпоксидных

лакокрасочных материалов: шпатлевки, эмали, лаки. В настоящее

время нашли применение эпоксидные композиции без растворителей,

на основе которых можно получать однослойные покрытия достаточ-

ной толщины. Также существуют покрытия на основе эпоксидно-

каменноугольной, эпоксидно-фенольной, эпоксидно-фторопластовой,

275

эпоксидно-сланцевой и других композиций. Модификация и совме-

щение с другими смолами позволяют целенаправленно изменять

свойства композиций и получать составы для защитных покрытий с

оптимальным комплексом показателей [22-24].

Таблица 6.1

Классификация ЛКП, стойких в особых средах

Покрытие Среда или воздействующий фактор

Обозначение

условий

эксплуатации

Водостойкое

Морская, пресная вода и ее пары

Пресная вода и ее пары

Морская вода

4/1

4/2

Специальное

Рентгеновские и другие виды излучений,

глубокий холод, открытое пламя, биоло-

гические воздействия и др.

Маслобензо-

стойкое

Маслостойкое

Бензостойкое

Минеральные масла и смазки, бензин,

керосин и другие нефтепродукты

Минеральные масла и смазки

Бензин, керосин и другие нефтепродукты

6/1

6/2

Химически

стойкое

Различные химические реагенты

Агрессивные газы, пары и жидкости

Растворы кислот

Растворы щелочей

7/1

7/2

7/3

Термостойкое Повышенная температура (60-500 ºС) 8

Электроизоля-

ционное

Электрический ток, коронные и поверх-

ностные разряды

В антикоррозионных работах также находят применение лако-

красочные материалы на основе фенолоформальдегидных смол, ко-

торые подразделяются на спирто-, масло- и водорастворимые. При

совмещении фенолоформальдегидных смол с эпоксидными получают

лаки, а при добавлении наполнителей – различные коррозионно-

стойкие композиции для покрытий. Фенолоформальдегидные лако-

красочные материалы требуют сушки при повышенных температурах

(140-180 ºС). Для получения необходимого уровня защиты покрытия

276

должны иметь определенную толщину, зависящую от природы и

концентрации агрессивной среды, а также температуры эксплуатации

покрытия.

В качестве основы для получения лакокрасочных материалов на-

ходят применение фурановые смолы, которые подразделяются на

фурфурольные, фуриловые и фурфуролацетоновые. Входящие в со-

став этих смол производные фурана оказывают ингибирующее дейст-

вие, и антикоррозионные свойства покрытия в целом улучшаются.

Фурановые лаковые покрытия обладают высокой адгезией, могут на-

носиться без грунтов и по своим химическим свойствам близки к фе-

нолоформальдегидным.

Большое распространение в качестве защитных покрытий полу-

чили лакокрасочные материалы на основе алкидных смол: глифтале-

вые и пентафталевые лаки, эмали и грунтовки. Все они характеризу-

ются высокой маслобензостойкостью.

Для защиты от коррозии в условиях трения и износа могут ис-

пользоваться полиуретановые покрытия, которые получают на основе

простых и сложных полиэфиров. Лакокрасочные полиуретановые ма-

териалы могут быть одно- и двухкомпонентными. Однокомпонент-

ные материалы обязательно подвергаются горячей сушке, а двухком-

понентные могут отверждаться и при обычных температурах [23, 24].

Для получения лакокрасочных материалов также могут исполь-

зоваться различные высокомолекулярные кремнийорганические по-

лимеры пространственной структуры (термореактивные смолы),

главным образом фенил- и метилфенилполисилоксаны. Все кремний-

органические лаки и эмали отличаются высокой термостойкостью

при длительной эксплуатации и удовлетворительной адгезией к ме-

таллам. При добавлении минеральных наполнителей в растворы

кремнийорганических полимеров в толуоле получаются коррозионно-

стойкие покрытия с улучшенными свойствами.

277

6.3. Методы испытаний неметаллических

материалов и лакокрасочных покрытий

Исходные свойства неметаллических материалов в процессе экс-

плуатации претерпевают различные изменения: под воздействием аг-

рессивных сред могут меняться объем материала, механические,

электрические, оптические свойства, проницаемость, адгезия и пр.

Изучив эти изменения, можно получить суммарную оценку коррози-

онной (химической) стойкости неметаллов. Выбор конкретных

свойств, подлежащих контролю, определяется видом и назначением

материала [23].

Химическую стойкость пластмасс в соответствии с ГОСТ 12020

оценивают по изменению массы, линейных размеров и механических

свойств, образцов после выдержки в условиях, близких к эксплуата-

ционным.

Для испытаний используют образцы в форме диска 50 мм или

квадрата 50х50 мм толщиной 3 мм. Перед испытаниями образцы кон-

диционируют по ГОСТ 12423 в течение 88 ч (температура 232 ºС,

относительная влажность 505%, в темноте), измеряют и взвешивают

на аналитических весах. Образцы помещают в сосуд с коррозионной

средой и выдерживают в течение заданного времени с промежуточ-

ными взвешиваниями. При проведении сравнительных испытаний

пластмасс срок испытания составляет 7 суток. После окончания ис-

пытаний образцы промывают водой, вытирают, взвешивают и изме-

ряют. Изменение массы и размеров вычисляют в процентах.

Набухание определяется по формуле

)(



 , (6.1)

где

M – начальная масса образца, г;

278

M – масса образца после экспозиции в среде при установившем-

ся сорбционном равновесии, г.

Водопоглощение рассчитывается по формуле

)(



 , (6.2)

где

M – масса образца после 24 ч пребывания в воде, г;

– поверхность образца, дм

Коэффициент сорбции вычисляется по формуле

)(



 , (6.3)

где

V – объем образца при установившемся сорбционном равнове-

сии, см

Важнейшие прочностные характеристики пластмасс могут быть

получены при испытаниях на растяжение по ГОСТ 11262. В ходе

этих испытаний определяют:

– предел прочности при разрыве





;

– предел текучести при растяжении





;

– условный предел текучести

ТУ





где

F – усилие, при котором образец разрушился, Н;

F – растягивающее усилие при достижении предела текучести, Н;

ТУ

F – растягивающее усилие при достижении условного предела

текучести, Н;

A – начальное поперечное сечение образца, м