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

Подождите немного. Документ загружается.

299

Тогда при заданной концентрации среды будет существовать

верхнее критическое напряжение

кр



, выше которого (область I)

крадс

vvv





, т. е. долговечность материала в агрессивной среде и на

воздухе одинакова. В области средних напряжений (область II) роль

адс

v и

хим

v становится решающей, и долговечность резко снижается

под действием среды. При малых напряжениях (область III) снова

изменяется вид зависимости; это вызвано, очевидно, тем, что ско-

рость процесса термофлуктуационного накопления повреждений

стремится к нулю.

Долговечность в области II хорошо описывается уравнением















 C







exp , (6.17)

где



U ,



– те же параметры, что и в уравнении С.Н. Журкова,

характеризующие температурно-силовую зависимость долговечности

в агрессивной среде;

– концентрация агрессивной среды;



– коэффициент.

Решение уравнений (6.15) и (6.17) относительно напряжения дает

зависимость для определения расчетного сопротивления конструкци-

онных неметаллических материалов:

на воздухе





















дл

RTU ;

в агрессивной среде

























 CRTU

дл









где



– срок службы конструкции.

300

Данные уравнения позволяют проводить выбор расчетного со-

противления для создания изделий с требуемым уровнем надежности.

Совместное решение уравнений (6.15) и (6.17) позволяет устано-

вить значение напряжения

кр



(см. рис. 6.10), при котором наблюда-

ется отклонение температурно-силовой зависимости долговечности в

среде от соответствующего значения на воздухе:

RTCRT

кр

lnln























 . (6.18)

Вид нагружения учитывается величиной структурно-

чувствительного параметра, а масштабный фактор – показателем од-

нородности материала.

Долговечность при циклическом нагружении обычно меньше,

чем при статическом. При знакопеременных нагрузках долговечность

меньше, чем при одностороннем циклическом нагружении. С увели-

чением частоты циклов долговечность уменьшается. Усталостные

свойства характеризуются чаще всего числом циклов до разрушения

или определяются по снижению какой-либо характеристики после

заданного времени воздействия циклической нагрузки.

Особо опасным эффектом от совместного воздействия на поли-

мерный материал агрессивной среды и механических напряжений яв-

ляется коррозионное растрескивание, которое может происходить как

за счет уже имеющихся в конструкции трещинообразных дефектов,

так и за счет дефектов, возникающих при непосредственном контакте

агрессивной среды с напряженным полимером. Этот вид разрушения

может наблюдаться даже в инактивных средах, которые на ненапря-

женный полимер практически не действуют.

Трещиностойкость полимерных материалов в агрессивных сре-

дах оценивается по времени до появления микротрещин на поверхно-

сти образца и по напряжению растрескивания при постоянной де-

формации или других режимах нагружения. В настоящее время для

301

описания растрескивания полимерных материалов стали успешно

применяться методы линейной механики разрушения.

6.5. Прогнозирование работоспособности

оборудования из неметаллов и долговечности

полимерных покрытий

Применение полимерных материалов в технике защиты от корро-

зии является одним из эффективных мероприятий, направленных на

повышение надежности изделий, снижение их материалоемкости и, в

конечном итоге, на уменьшение коррозионных потерь. Применение

полимерных материалов развивается по двум самостоятельным на-

правлениям [23]:

1) защита металлических конструкций полимерными (в том чис-

ле лакокрасочными) покрытиями;

2) создание изделий из коррозионно-стойких конструкционных

материалов на полимерной основе.

Широкое применение полимерных материалов сдерживается не-

удачными случаями их использования, однако необходимо помнить,

что не бывает плохих материалов, а бывают некачественные изделия,

причина появления которых кроется в следующем:

 в ошибочном выборе того или иного материала;

 в нерациональном конструировании изделия;

 в неудовлетворительной технологии изготовления;

 в нарушении условий эксплуатации.

Располагая надежными методами прогнозирования работоспо-

собности объектов, можно оптимизировать выбор материалов для

конкретных изделий, более рационально конструировать изделия, оп-

302

ределять целесообразные условия эксплуатации объектов из поли-

мерных материалов и материалов с защитными покрытиями, объек-

тивно оценивать срок службы и контролировать работоспособность

объектов в процессе эксплуатации.

При прогнозировании осуществляется решение двух практически

важных задач [22, 23]:

1) на заданный срок службы создается объект, соответствующий

функциональному назначению, и устанавливаются предельно допус-

тимые изменения эксплуатационных параметров этого объекта;

2) по установленным величинам допустимых изменений эксплуа-

тационных параметров объекта оценивается срок его службы.

Первая задача прогнозирования носит активный характер, так как

она решается на стадии создания объекта и направлена на обеспече-

ние его работоспособности в течение установленного срока. Вторая

задача прогнозирования пассивна, она решается применительно к уже

функционирующему объекту и направлена на контроль его работо-

способности.

Прогнозирование срока службы базируется на определении того,

какие свойства полимерного материала или готовой конструкции и

под действием каких факторов будут изменяться во времени. Одной

из важнейших задач прогнозирования является установление количе-

ственных взаимосвязей фундаментальных свойств материала с экс-

плуатационными свойствами изделия.

В настоящее время наибольшее применение находят полуэмпи-

рические методы, основанные на феноменологических подходах; при

этом сложный процесс разрушения представляется в виде упрощен-

ной модели, которая достаточно подробно исследована.

В общем случае срок службы емкости, например для воды, при

воздействии механических напряжений будет определяться как

303

меньшее значение из двух величин: долговечности



или времени

непроницаемости



. Воспользуемся экспериментальными данными

по долговечности (рис. 6.11) и параметрам переноса.

Рис. 6.11. Долговечность различных полимерных материалов:

1 – АГ-4с при изгибе в

SOH ; 2 – то же при растяжении;

3 – электропроводного стеклопластика при изгибе в воде;

4 – ДГ-2 при сжатии в

SOH при 20 С

Представленные на рис. 6.11 результаты испытаний хорошо кор-

релирут с приведенным ранее уравнением типа уравнения Журкова.

Наиболее общими характеристиками процесса разрушения являются

термоактивационные параметры

U и



. Их применение позволяет в

значительной мере отказаться от детального изучения механизма раз-

рушения материала. Представленные экспериментальные данные

свидетельствуют о том, что кривые долговечности в агрессивных

средах являются стадийными.

304

Определение



возможно по результатам изучения кинетики

проникновения агрессивной среды в ненапряженный и напряженный

материал. Для приведенных материалов процессы переноса в нена-

пряженный материал описываются законами активированной диффу-

зии, а величины коэффициентов диффузии приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Свойства некоторых материалов

Материал





, м

/с





/с∙МПа

АГ-4с 0,32 0,025

ДГ-2 7,5 0,033

Электропроводный стеклопластик 5,4 0,047

С помощью полученных коэффициентов время непроницаемости

рассчитывается по уравнению (6.16):





, (6.19)

где

– толщина.

Величина коэффициента диффузии

определяется структурой

материала и природой среды, а также зависит от температуры и кон-

центрации среды. Зависимость

от температуры с достаточной для

практических целей точностью описывается уравнением Аррениуса.

В области низких напряжений коэффициент

меняется незначитель-

но, и в расчетах может применяться величина, полученная для нена-

пряженных материалов. Величина коэффициента диффузии в напря-

женный материал

D зависит от вида напряженного состояния и

уровня приложенных напряжений и в первом приближении может

определяться зависимостью





крн

mDD









, (6.20)

305

где

– эмпирический коэффициент, зависящий от природы среды,

материала и от вида нагружения;

кр



– критическое напряжение, соответствующее первому пере-

гибу кривых







(см. рис. 6.11).

Данная методика позволяет на научной основе прогнозировать

срок службы полимерной аппаратуры.

В качестве примера проведем расчет срока службы плоского

днища емкости для воды из электропроводного стеклопластика тол-

щиной 1,0 мм при действии изгибающих напряжений величиной

250 МПа. Из рис. 6.10 долговечность материала



составляет 107 с,

или 0,32 года, а время непроницаемости



по данным табл. 6.3 со-

ставляет 3∙10

с, или 0,95 года. Следовательно, срок службы опреде-

ляется долговечностью и составляет 0,32 года. При уровне напряже-

ний 240 МПа долговечность составит 5∙10

с, или 1,6 года, т.е. срок

службы будет определяться временем непроницаемости и составит

0,95 года.

Методология прогнозирования долговечности полимерных по-

крытий определяется, прежде всего, правильностью выбора критери-

ев оценки, уровнем экстраполяции результатов лабораторных испы-

таний и точностью выбранных моделей.

Основное функциональное назначение защитных покрытий заклю-

чается в создании препятствия непосредственному контакту агрессив-

ной среды с конструкционным материалом. Дополнительными функ-

циями могут являться антиадгезионные, противоэрозионные и др.

В общем случае долговечность конструкции с защитным покры-

тием



складывается из времени непроницаемости покрытия



времени воздействия проникшей среды до нарушения адгезионной

прочности и целостности покрытия



, допустимого времени экс-

плуатации незащищенной конструкции



Слагаемое



определяется так же, как и для объекта, целиком из-

готовленного из неметаллического материала.

306

Если при оценке долговечности защитных покрытий влияние

проницаемости и химической стойкости изучено достаточно полно,

то оценка роли адгезионной прочности менее ясна. Адгезионная

прочность полимерных покрытий должна рассматриваться с учетом

диффузии среды; при этом возможны три случая.

Для первого из них, когда диффузия через покрытие незначи-

тельна, характерно сохранение исходной адгезионной прочности в

течение длительного периода, и второе слагаемое



вносит значи-

тельный вклад в долговечность покрытия. При резком уменьшении

адгезионной прочности и отслаивании покрытия от подложки (второй

случай) величиной



можно пренебрегать. И, наконец, когда наблю-

дается неинтенсивное снижение адгезионной прочности при воздей-

ствии на покрытие агрессивных сред, слагаемые



становятся

сравнимыми и должны учитываться в расчетах.

Эксплуатация конструкции с поврежденным покрытием обычно

не допускается или допускается кратковременно, и слагаемое



не

учитывается. При необходимости величина



может быть найдена по

скорости коррозии металлов.

Таким образом, при оценке долговечности защитных покрытий

применительно к противокоррозионной защите основными крите-

риями являются прочность и деформируемость, химическая стой-

кость, проницаемость и адгезионная прочность. Наиболее правиль-

ным можно считать комплексный подход с использованием несколь-

ких критериев оценки.

6.6. Коррозионно-стойкое оборудование

из неметаллических материалов

В нефтедобывающей промышленности оборудование из неме-

таллических материалов пока не получило достаточно широкого

применения, хотя можно отметить использование винипласта, фторо-

пласта, стеклопластиков и бипластмасс [22, 23, 33].

307

Сосуды из винипласта изготавливают путем формования отдель-

ных элементов с последующей сваркой или склеиванием. Сварка ви-

нипласта основана на том, что при температуре 220-240 °С и неболь-

шом давлении отдельные части из данного материала способны со-

единяться. Пресс-формы изготавливают из металла или дерева. При

изготовлении днищ из тонких листов винипласта также применяется

вакуумное формование.

Сварка может производиться с помощью газовой горелки, кото-

рой одновременно разогреваются свариваемые кромки и присадоч-

ный пруток. Кромки свариваемых листов предварительно разделы-

ваются. Качество сварных соединений проверяется в процессе сварки

визуально. Качественная сварка характеризуется легким закипанием

прутка и материала при их контакте [23].

Для получения хорошего качества склейки соединяемые поверх-

ности подвергают дробеструйной обработке.

Аппараты из винипласта изготавливают диаметром до 1400 мм

для работы при температуре от 0 до 40 °С. При конструировании и

изготовлении аппаратов из винипласта необходимо увеличивать же-

сткость деталей, работающих на изгиб, особенно в местах сварки, пу-

тем приварки ребер жесткости.

Широко применяют в промышленности также насосы, вентиля-

торы, трубопроводы и другое оборудование из винипласта [22, 23].

Химически стойкую аппаратуру, ее детали и узлы изготавливают

из фторопласта прессованием с последующим спеканием или меха-

нической обработкой на станках из спеченных полуфабрикатов. Из

фторопласта производят емкостную и теплообменную аппаратуру,

насосы и мешалки, отличающиеся высокой химической стойкостью.

Аппаратура из стеклопластиков находит все более широкое при-

менение, так как обладает высокой химической стойкостью и удель-

ной прочностью, сравнимой с металлами. В зависимости от назначе-

ния изделий из стеклопластиков и предъявляемых к ним требований

применяют определенные связующие и армирующий наполнитель

[23, 33].

308

Изделия из стеклопластиков можно получать из предварительно

подготовленных композиций переработкой их различными методами

(прессование, формование), а также, в отличие от других материалов,

при непосредственном контактировании основных составляющих

этих композиций в процессе производства изделий [23]. В первом

случае имеется в виду материал, который легко транспортируется и

пригоден для переработки в изделия в течение строго регламенти-

руемого периода (например, фенолоформальдегидный стеклопластик

АГ-4с), а во втором – только компоненты (синтетическая смола, от-

вердитель, пластификатор, армирующий наполнитель и др.), обра-

зующие стеклопластик в виде изделия в процессе его производства.

Процесс производства изделий из стеклопластиков сводится к

послойному нанесению на форму стекловолокнистого материала, од-

новременно пропитываемого связующим. В качестве стеклонаполни-

телей применяют ткани различного плетения (полотняного, диаго-

нального, саржевого и т. п.), нетканые материалы (стекломаты) или

нити и жгуты. От вида армирующего наполнителя и способа его ук-

ладки зависит прочность получаемого материала [33].

Можно получать крупногабаритные изделия с применением не-

сложной и дешевой оснастки и сравнительно простой технологии.

При ручном способе изготовления крупногабаритной емкостной

аппаратуры обычно применяют стеклоткань, стеклохолст и стеклоро-

гожку, раскроенные на заготовки. Заготовки погружают в ванну со

связующим, укладывают на форму с перекрытием стыков на 20-25 мм

и прикатывают роликом. Связующее можно наносить на заготовки из

пульверизатора. Этот процесс возможен только для тех связующих,

которые могут отверждаться при нормальной температуре в течение

периода, необходимого и достаточного для формования изделия.

Процесс формования изделий из стеклохолстов аналогичен про-

цессу получения изделий из стеклотканей. Стекломаты можно укла-

дывать в форму также несколькими слоями с обязательной послойной

пропиткой связующим.