Вывод.
Таким образом срок службы принятой протекторной установки удовлетворяет требованиям противокоррозийной защиты трубопроводов.
Контрольные вопросы
1. Физико-химическая сущность протекторной защиты.
Сущность протекторной защиты заключается в том, что конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем металл защищаемой конструкции. В качестве протектора при защите стальных изделий обычно используют магний, алюминий, цинк и их сплавы. В процессе коррозии протектор служит анодом и разрушается, тем самым предохраняя от разрушения конструкцию.
2. Область использования протекторных установок.
Протекторные установки на магистральных трубопроводах применяются в основном для защиты от почвенной коррозии участков трубопроводов, расположенных на значительном расстоянии от источников электроснабжения, в местах неполной защиты трубопровода катодными
1
Тигунов П.И., Новоселов В.Ф., Коршак А.А., Шаммазов А.М. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для ВУЗов.
– Уфа: Дизайн-Полиграфсервис, 2002. – 668 с. [стр. 558К].
28 станциями, а также для защиты от почвенной коррозии кожухов (патронов) трубопроводов на переходах через железные и автомобильные дороги.
3. Материалы протекторов.
Чаще всего в качестве защиты применяют сплавы магния.
Легирующими компонентами состава выступают алюминий (максимум 7 %), цинк (до 5 %), также вводят медь, свинец и никель, но их суммарная доля не превышает сотой части состава. В качестве протектора такие составы могут применяться в средах с показателем кислотности не выше 10,5.
Даже в составе сплава магний быстро растворяется, а потом на его верхнем слое появляются труднорастворимые соединения. Магниевые сплавы имеют существенный недостаток — после нанесения они могут спровоцировать растрескивание металлических изделий, способствовать возникновению повышенной водородной хрупкости.
Альтернативой магниевому сплаву для защиты конструкций, расположенных в соленой воде, выступают цинковые составы.
Легирующими компонентами для цинка становятся кадмий (максимальный показатель 0,15 %), алюминий (менее 0,5 %) и незначительное количество железа, свинца и меди (суммарно до 0,005 %). От влияния морской воды такой протектор будет идеальным, но в нейтральных средах протекторы из цинкового сплава быстро покроются оксидами и гидроксидами, сведя на нет весь антикоррозийный комплекс.
Цинковые сплавы выступают как протекторы от коррозии, обеспечивая максимальную взрыво- и пожарную безопасность. Этими составами целесообразно обрабатывать трубопроводы для горючих и взрывоопасных веществ, например, газа. Еще один «балл» в свой актив такие составы получают за экологическую безопасность – при анодном растворении не образуется загрязняющих веществ. Поэтому цинковые композиции часто применяются для коррозийной защиты нефтепроводов, а также для транспортирующих нефть танкеров и судов.
29
От воздействия проточной соленой воды обычно применяют алюминиевые составы. В сплав также вводят цинк (до 8 %), магний (до 5 %) и
индий с кремнием, таллием и кадмием с незначительной долей (до 0,02 %).
Добавки предупреждают возникновение окислов на алюминии. Также алюминиевые сплавы пригодны в условиях, где используется магниевая защита.
4.
Расчетные зависимости, определяющие зону действия протекторной установки.
Сопротивление растеканию тока с протекторной установки, при вертикальном расположении протекторов
0, 366 4
2 1
ln ln ln
2 4
грnpакакакакnpакэакnpакгрnphlldRlndhld
где
ρгр – удельное сопротивление грунта, окружающего комплектный протектор;
ρак – удельное сопротивление активатора;
dак,
lак – соответственно диаметр и длина активатора, (комплектного протектора);
dпр – диаметр протектора, м;
hпр – глубина установки протектора (от поверхности земли до середины протектора);
n – число протекторов в установке;
ηэ– коэффициент, учитывающий взаимное экранирование вертикальных протекторов в группе. Для ориентировочных расчетов может быть принят равным 0,7, при защите одиночными протекторами
ηэ = 1,0.
Протяженность защитной зоны протекторной установки min
1
npиз кnnpERlRE
где
Епр – потенциал протектора до подключения его к трубопроводу,
В.
30
Лабораторная работа № 6
«ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫМИ И
ЭПОКСИДНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ»
Цель работы: изучение и приобретение навыков по нанесению антикоррозионных покрытий на поверхность металла.
Основные положения
Существует много способов борьбы с коррозией металлов, но все они не являются универсальными. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью и экономической целесообразностью. Большое распространение среди методов защиты имеют покрытия. Они могут быть металлическими и неметаллическими.
Группа неметаллических покрытий включает в себя оксидные, фосфатные, стеклоэмалевые и эпоксидные покрытия.
Для получения оксидных покрытий применяется метод оксидирования. Для создания оксидных плѐнок используют кислотный, щелочной или бесщелочной способ оксидирования.
Кислотное оксидирование осуществляют в смеси соляной и азотной кислот с добавлением окалины железа при температуре 35 °С в течение одного часа.
Для щелочного оксидирования готовят раствор, состоящий из едкого натрия, азотнокислого и азотистокислого натрия. Процесс идѐт при температуре 140°С в течение 20–60 минут.
Бесщелочное оксидирование проводят в растворе азотнокислого кальция и перекиси марганца при температуре 100°С в течение 30–40 минут.
К достоинствам метода следует отнести простоту нанесения, а недостатком является пористость окисной плѐнки, поэтому применяется только для защиты от атмосферной коррозии.
31
Фосфатные покрытия получают путѐм фосфатирования, т. е. путѐм создания на поверхности металлических изделий плѐнки нерастворимых фосфатов.
Для создания фосфатных покрытий на поверхности железоуглеродистых сплавов используют раствор на основе
фосфорнокислого марганца и фосфорнокислого железа, который называется мажеф.
Температура этого раствора составляет
90–100°С, а продолжительность процесса колеблется от одного до двух часов. В результате действия этого раствора на поверхности образуется плѐнка на основе 2-х и 3-х замещѐнных фосфатов.
Достоинством фосфатных покрытий является простота нанесения, а недостатком – значительная пористость. Эти покрытия используют для защиты изделий от воздействия атмосферы и воды, а также как грунтовку перед нанесением лакокрасочного покрытия.
Стеклоэмалевые покрытия представляют собой стекла, наплавленные на металл с образованием прочно сцепленного твѐрдого слоя, устойчивого ко многим абразивным и агрессивным средам. Коррозионная активность и высокая прочность сцепления покрытия определяется главным образом химическим составом фритты
– исходного материала для стеклоэмалирования.
Фритта представляет собой силикатные стекла сложного состава. Еѐ получают плавлением при 1100÷1450 °С тщательно перемешанных тугоплавких материалов, таких как двуокись кремния, двуокись титана, полевой шпат, каолин и т. д., с флюсами, к которым относятся бура, кремнефтористый натрий, нитраты или карбонаты лития, натрия или калия.
Плавление продолжается до образования однородного расплава, хотя в отличие от стекольного расплава в нѐм допускается содержание некоторого количества воздушных пузырьков. На этой стадии расплав быстро охлаждают путѐм слива в воду или пропусканием между водоохлаждаемыми стальными вальцами с образованием мелких пластинок или чешуек фритты.
Для процесса сухого эмалирования, который обычно применяют для
32 покрытия чугунных ванн, фритту после сушки размалывают в шаровых мельницах для получения частиц заданного размера, применяя в качестве истирающего материала фарфор или кварцит. Для более распространѐнного
«мокрого» эмалирования помол фритты производят с водой.
Метод сухого эмалирования заключается в напылении через сито порошкообразной фритты на предварительно нагретую деталь, которую затем помещают в печь при 900 °С и получают требуемое гладкое эмалевое покрытие с хорошим сцеплением.
При мокром методе эмалирования шликер наносят на очищенную поверхность металла распылением или окунанием и после сушки помещают в печь при 750÷850 °С.
Высокие свойства эмали обеспечиваются прочным сцеплением еѐ с металлической поверхностью. Сцепление формируется в результате проникновения расплавленной эмали в микронеровности металлической поверхности и в результате растворения металла в стекле, т. е. за счѐт химической связи. Наличие остаточных напряжений в покрытии определяется соотношением
коэффициентов теплового расширения эмали и металла, а также температурой размягчения эмали. Поскольку эмаль, как и стекло, имеет большую прочность на сжатие, то еѐ термическое расширение должно быть несколько меньше, чем у металла.
По назначению эмали подразделяются на грунтовые и покровные.
Грунтовые эмали служат для лучшего сцепления с металлической поверхностью и содержат в своѐм составе окислы никеля или кобальта (0,2–
0,3 %). Помимо состава шликера на прочность сцепления эмали с металлов оказывает влияние состояние поверхности, состав и структура металла.
Эмаль прочно держится на металле, в том случае, если разница у коэффициентов теплового расширения металла и эмали не превышает 50%.
Покровные эмали придают покрытию окончательные защитные свойства.
Некоторые составы покровных эмалей представлены в таблице 1.
33
Таблица 1 – Типичные составы эмалевых фритт, %
Компоненты
Эмали для аппаратуры химических установок
Эмали дли листового железа
Полупрозрачная эмаль для чугуна белая кислотоустойчивая
Na
2
O
15,8 7,0 16,0 17,5
К
2
О
–
5,0
–
3,0
Li
2
О
–
1,0 1,0
–
СаО
1,8
–
3,0
–
ВаО
–
–
6,0
–
CaF
2 3,4
–
2,0 2,0
Na
2
SiF
6
–
5,5 2,0
–
Аl
2
О
3 2,5 2,5 1,0 4,5
B
2
O
3 0,9 15,0 7,0 7,5
SiО
2 60,0 46,0 53,0 43,5
ТiO
2 15,6 18,0 8,0 13,5
СаO
–
–
0,4
–
NiO
–
–
0,6
–
Sb
2
О
5
–
–
–
8,5
Итого
100,0 100,0 100,0 100,0
Достоинствами эмалевых покрытий являются высокая твѐрдость, износостойкость, абразивостойкость, химическая стойкость к действию кислот и щелочей.
К недостаткам этих покрытий следует отнести: во-первых, не выдерживают ударных нагрузок, во-вторых не выдерживают резких перепадов температур.
Металлические изделия имеют на своей поверхности плѐнку загрязнений, приобретѐнную в процессе изготовления. Для обеспечения хорошей прочности сцепления покрытия с металлом необходимо произвести очистку поверхности от загрязнений. Очистка поверхности может осуществляться механической, химической или термической обработкой.
Механическая обработка позволяет убрать с поверхности окислы или продукты коррозии. Она может состоять из пескоструйной обработки, крацевания, зачистки наждачным полотном или полирования. После механической проводят химическую обработку для удаления органической плѐнки (масла, жиры, полимерные плѐнки). Химическая обработка состоит из обезжиривания и травления. Обезжиривание проводят в щелочных растворах
34 с высокими значениями pH, а травление осуществляется в растворах соляной или серной кислот.
При термической обработке поверхность изделия обрабатывают пламенем кислородно-ацетиленовой горелки или выдерживают в муфельной печи. Вследствие разницы в коэффициентах теплового расширения металла и ржавчины, последняя разрыхляется и отслаивается. При этом с удалением окалины происходит и обезжиривание. Но для тонкостенных изделий этой обработкой не пользуются, т. к. под влиянием высоких температур возможна деформация изделий.
Заводские эпоксидные покрытия впервые начали применяться с начала 70-х г.г. прошлого века и достаточно широко используются в настоящее время. На долю эпоксидных покрытий в США приходится около
80 % антикоррозионных покрытий трубопроводов.
В зависимости от изоляционных материалов и технологии их нанесения эпоксидные покрытия подразделяются на покрытия, полученные на основе порошковых эпоксидных красок, и на двухкомпонентные (смола + отвердитель) покрытия, полученные посредством нанесения на трубы жидких эпоксидных красок.
Для заводской изоляции труб, в основном, применяются покрытия на основе порошковых эпоксидных красок.
Оптимальная толщина однослойного эпоксидного покрытия на основе порошковых красок составляет 350–500 мкм.
Разработана и внедрена в практику заводской изоляции труб конструкция двухслойного эпоксидного покрытия толщиной 750÷1000 мкм, где в качестве изоляционного слоя толщиной 250÷400 мкм используется покрытие на
основе обычных порошковых эпоксидных красок, а для наружного защитного ударопрочного слоя применяются специальные наполненные или вспенивающиеся эпоксидные краски, обеспечивающие повышенную механическую прочность покрытия.
35
Основные производители трубных порошковых эпоксидных красок – зарубежные фирмы: «3M» (США), «BASF Coatings» (Германия), «Akzo Nobel
Powder Coatings GmbH» (Нидерланды), «Kawakami Paint Mfg.» (Япония) и др.
В Российской Федерации порошковые эпоксидные краски производятся на предприятиях: ООО «Ярославский завод порошковых красок», НПП «Пигмент» (г. Санкт-Петербург).
Нанесение на трубы заводских эпоксидных покрытий освоено на предприятиях: ПАО «Волжский трубный завод», ПАО «Выксунский металлургический завод», ПАО «Московский опытно-экспериментальный трубозаготовительный комбинат», ООО «Трубопласт» (г. Екатеринбург), АО
«ТМК НГС-Нижневартовск» и др.
Преимуществами эпоксидных покрытий являются: повышенная теплостойкость (до 80–100
о
С), высокая адгезия к стали, повышенная стойкость к катодному отслаиванию, стойкость к длительному воздействию воды. Под эпоксидными покрытиями не было зафиксировано случаев возникновения стресс-коррозии трубопроводов.
К недостаткам эпоксидных покрытий относятся: недостаточно высокая эластичность и низкая ударная прочность покрытий, особенно в области минусовых температур. Это в значительной степени осложняет транспортировку изолированных труб и выполнение строительно- монтажных работ. По этой причине в соответствии с ГОСТ Р 51164–98 применение при строительстве трубопроводов труб с заводским эпоксидным покрытием ограничивается диаметрами до 820 мм включительно.
Нанесение на однослойное эпоксидное покрытие второго дополнительного слоя позволяет значительно улучшить механические характеристики покрытия – прочность при ударе, стойкость к продавливанию, устойчивость к прорезанию и сдиру. По показателю стойкость к прорезанию двухслойное эпоксидное покрытие в 10 раз превосходит заводское полиэтиленовое покрытие труб.
36
При нанесении дополнительных слоев можно повысить шероховатость эпоксидного покрытия (для нанесения слоя бетонного утяжелителя) и обеспечить высокую стойкость к УФ-облучению (для применения при надземной прокладке трубопроводов).
Рекомендуемые области применения однослойных эпоксидных покрытий:
– противокоррозионная защита трубопроводов малых и средних диаметров (до 530 мм включительно), в том числе работающих при повышенных (до 80÷110
С) температурах;
– противокоррозионная защита трубопроводов с наружным теплоизоляционным пенополиуретановым покрытием.
Рекомендуемые области применения двухслойных эпоксидных покрытий:
– противокоррозионная защита трубопроводов, в том числе работающих при температурах до плюс 80÷110
С;
– противокоррозионная защита трубопроводов с бетонным утяжелителем;
– защита от коррозии трубопроводов и свай на участках надземной прокладки;
– защита от коррозии трубопроводов на участках строительства методом ННБ.
Ход работы
Приборы и материалы:
− металлическая пластина;
− шликерстеклоэмали;
− сушильный шкаф;
− муфельная печь;
− магнитный толщиномер ИРП-4;
37
− металлическая подставка.
Проведенная работа заключалась в подготовке металлической поверхности, нанесении эпоксидного покрытия, полимеризации покрытия в печи (обжиг), проверке качества нанесенного покрытия.
В ходе работы нами произведена очистка поверхности металлической пластины согласно полученного индивидуального задания. Приготовленную эпоксидную краску и отвердитель размешали и нанесли на металлическую поверхность равномерным слоем путѐм небольшого встряхивания.
Затем установили пластину на специальную подставку и подсушили ее в сушильном шкафу при температуре 80÷90 °С в течение 20÷30 минут.
Из сушильного шкафа подставку с образцом перенесли в муфельную печь, разогретую до температуры 150÷200 ºС и выдержали 30÷40 минут.
После окончания полимеризации пластину с эмалевым покрытием охладили на воздухе до комнатной температуры и измерили толщину покрытия магнитным толщиномером.
Выводы. В ходе визуального осмотра поверхности покрытия на наличие дефектов были установлено присутствие кратеров толщиной 5 мкм, пробелов толщиной 3 мкм, трещин толщиной 7 мкм.
Контрольные вопросы
1. Какие покрытия относятся к неметаллическим на неорганической основе?
Защитные покрытия в общем виде можно разделить на два класса неметаллические и металлические. Неметаллические покрытия делятся на две группы органические и неорганические. Основное применение в борьбе с коррозией имеют органические покрытия лакокрасочные, битумные, каменноугольно-пековые, пластикатные, этинолевые, эпоксидные, каучуковые и др. К неорганическим покрытиям относятся цементные,
38 асбесто-цементные, оксидные, силикатные, фосфатные, фторидные, сульфидные и др.
2. Каким образом удаляют с поверхности металла загрязнения?
До недавнего времени одним из распространенных способов очистки поверхности металлических изделий являлась так называемая пескоструйная очистка. Она состоит в том, что струя специально приготовленного мелкого кварцевого песка при помощи сжатого воздуха направляется на очищаемую поверхность. Песок, ударяясь о поверхность, удаляет с нее все имеющиеся загрязнения. Вдыхание такой пыли приводит к тяжелым заболеваниям
(силикоз легких). Пескоструйная обработка заменяется гидропескоструйной, дробеструйной или дробемѐтной.
Для обработки мелких изделий применяют так называемые галтовочные барабаны. Они представляют собой
цилиндрические или шестигранные коробки, плотно закрывающиеся. В такого рода барабаны загружают мелкие детали вместе с сухим и чистым песком. Затем барабаны приводятся во вращение, находящиеся в барабане изделия обкатывают вместе с песком. Через несколько часов работы барабана поверхность изделий, находящихся в барабане, оказывается очищенной от всех загрязнений.
Галтовочные барабаны, так же, как и пескоструйные установки, не требуют большой затраты рабочей силы, очень производительные, но в них нельзя обрабатывать детали, имеющие тонкую резьбу, так как резьба в процессе обработки может быть повреждена.
Для механического удаления с поверхности металла загрязнений и окалины применяют также металлические щетки, сделанные из тонкой стальной или латунной проволоки.
3. Получение оксидных и фосфатных покрытий, их достоинства и недостатки.
Оксидно-фосфатные покрытия представляют собой оксидные и солевые пленки на поверхности металлов. Процессы получения пленок путем
39 химической и электрохимической обработки называются оксидированием и фосфаткрованием.
Перед нанесением оксидно-фосфатных покрытий проводят активирование деталей в 5÷10 % растворе фосфорной кислоты.
Повышение защитной способности оксидных и оксидно-фосфатных покрытий достигают обработкой их в пассивирующих растворах пропиткой минеральными маслами или консистентными смазками.
После оксидирования детали тщательно промывают в холодной проточной воде для удаления следов растворов. Для полного удаления остатков щелочи с поверхности деталей и пассивирования оксидной пленки при щелочном оксидировании следует промыть детали в 3÷5 % растворе хромового ангидрида. Затем детали погружают в 2÷3 % раствор хозяйственного мыла, подогретый до температуры 70÷80 ºС. Извлеченные из мыльного раствора детали, без последующей промывки погружают в минеральное масло
(веретенное, машинное, вазелиновое), нагретое до температуры 100÷120 ºС, на 5÷10 мин. Избыток масла удаляют протиранием деталей чистой сухой ветошью.
4. Стеклоэмалевые и эпоксидные покрытия, достоинства и недостатки
Стеклоэмалевые покрытия устойчивы к воздействию большинства агрессивных веществ и соединений,
обладают хорошими гигиеническими свойствами, что способствует получению в сосудах продуктов высокой степени чистоты. Кислотостойкие стеклоэмалевые покрытия могут применяться для всех кислых сред, кроме плавиковой кислоты высоких концентраций (более 70 %), фосфорной кислоты и щелочных сред.
Кислотощелоче-стойкие стеклоэмалевые покрытия рекомендуются для нейтральных, переменных и щелочных сред.
Стеклоэмалевые покрытия на трубах, полученные по указанной технологии, были исследованы на химическую и термическую стойкость, а также механическую прочность.
40
Стеклоэмалевые покрытия, используемые в процессах ковки, штамповки и прессования непригодны для прокатки о большими обжатиями и прошивки на косовалковых станах из-за резкого снижения коэффициента трения и падения захватывающей способности валков. Недостаток этих покрытий – сложность приготовления, нанесения и относительно высокая стоимость, что особенно важно при массовом производстве рядовых сталей.
Стеклоэмалевые покрытия находят широкое применение в машиностроении, химической промышленности, строительстве, в быту для защиты металлов и сплавов от воздействия агрессивных сред, газовой и атмосферной коррозии, придают изделиям красивый вид. При этом срок службы покрытий должен быть достаточно большим.
Стеклоэмалевые покрытия являются наиболее стойкими антикоррозионными покрытиями по сравнению с другими, применяемыми в тепловых сетях. Однако широкому применению эмалирования препятствует необходимость сооружения цехов со сложной технологией, требующей значительных капитальных затрат, а также установок по эмалированию непосредственно на трассе стыков труб, фасонных частей и опор.
Свойства эпоксидных покрытий, достоинства:
водостойкость и водонепроницаемость эпоксидных плѐнкообразователей определяет широкое использование в качестве гидроизоляционных покрытий;
высокая резистентность к химическому воздействию обуславливают антикоррозийные свойства.
эластичность пленки минимизирует
нарушения слоя ЛКМ при ударных нагрузках;
общая сопротивляемость механическим нагрузкам.
высокие прочностные характеристики;
стойкость к истиранию;
41
устойчивость к воздействию агрессивных очистителей, растворителей, дезинфицирующих средств, растворов кислот и щелочей;
великолепная адгезия к поверхностям из различных материалов;
водонепроницаемость;
повышенные электроизоляционные свойства;
огнеупорность и теплостойкость;
антистатические свойства покрытия;
возможность применения для металла без предварительного грунтования;
препятствует возникновению гнилостных процессов;
способность к самовосстановлению (при нагрузках пленка прогибается, а затем возвращается в первоначальное положение).
Эпоксидные покрытия обладают такими недостатками:
плохая устойчивость к ультрафиолетовому излучению;
относительно высокая стоимость;
проблематична смена;
необходимость смешения компонентов.
Скачать 0.76 Mb.