Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ функционирования систем жизнеобеспечения и методов устранения дефектов, возникающих при их эксплуатации. обоснование задач исследования 11
1.1. Дефекты трубопроводов и оборудования в системах жизнеобеспечения 11
1.2. Современные ремонтные композиционные материалы и возможности их применения 22
1.2.1. Характеристики композиционных материалов и области применения 22
1.2.2 Исследование современных ремонтных композиционных материалов и технологии их применения в различных отраслях промышленности 33
1.3. Анализ проблемы обеспечения адгезионной прочности металлополимеров с твердыми поверхностями 37
1.3.1. Теоретические представления об адгезии полимеров 37
1.3.2. Влияние на адгезию физико-химических свойств полимеров, технологических факторов и внешних воздействий 44
1.4. Постановка задачи исследования 61
Выводы 64
2. Разработка методов анализа дефектов и причин их возникновения 66
2.1 Формирование массива информации. Алгоритмы поиска причин дефектов 66
2.2. Метод анализа дефектов на основе использования детерминированных диагностических матриц 86
2.2.1. Абстрактная модель объекта анализа дефектов 86
2.2.2 Математическая модель объекта, представленная в виде детерминированной матрицы 90
2.2.3. Оптимизация детерминированных матриц 93
2.2.4. Алгоритм поиска причин дефектов, основанные на детерминированных матрицах 99
2.3. Вероятностные методики поиска причин дефектов 102
2.3.1. Основные понятия распознавания 102
2.3.2. Алгоритмы определения причин дефектов, основанные на использовании элементов теории распознавания 103
2.3.3. Алгоритмы определения причин дефектов через максимальную величину сеусловной вероятности 108
Выводы 113
3. Разработка физико-химических методов определения составов ремонтных композиционных материалов 115
3.1. Теоретические предпосылки к созданию новых ремонтных композиционных материалов 115
3.2 Методы выбора компонентов при разработке композиционных материалов 125
3.3. Исследование состава и свойств аналогов 138
3.4 Разработка рецептуры мсталлополимерного компаунда 142
3.4.1 Объекты и методы исследований 142
3.4.2 Разработка полимерной основы компаунда 146
3.4.3 Разработка отверждающсй системы 147
3.4.4. Выбор системы наполнителей ...; 149
3.5. Отработка составов и испытания металлополимсрных композиций 151
3.5.1. Отработка вариантов рецептуры в процессе испытаний 151
3.5.2. Результаты испытаний образцов металлополимерпых композиций 154
Выводы 156
4. Разработка методов создания композиционных материалов для ремонта в аварийных ситуациях 158
4.1. Исследование аналогов и разработка технических требований к композиту ускоренного отверждения 158
4.2. Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на эпоксидной основе 163
4.3. Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на акриловой
основе 169
4.4. Испытания композиционных материалов ускоренного отверждения 177
Выводы 182
5. Исследование адгезии композиционных материалов с металлами 184
5.1. Методы исследования адгезии 184
5.2. Методика проведения исследований адгезии 187
5.2.1. Выбор схем испытаний 187
5.2.2. Выбор металлов и композитов для проведения испытаний 189
5.2.3. Подготовка образцов соединений для проведения испытаний 193
5.3. Исследование зависимости адгезионной прочности соединений от состава образцов, технологических и экеплутацконпых факторов 197
5.3.1. Влияние на адгезионную прочность химического состава и структуры сталей 197
5.3.2. Влияние на адгезионную прочность продуктов коррозии 199
5.3.3. Влияние очистителей и обезжиривающих составов на адгезионную прочность 201
5.3.4. Влияние температуры на адгезионную прочность соединений 202
5.4. Зависимость адгезионной прочности от качества поверхности соединений 206
5.4.1. Влияние методов обработки поверхности на адгезионную прочность соединений... 206
5.4.2. Определение расчетной зависимости влияния шероховатости на адгезионную прочность 213
Выводы 222
6. Технологические методы применения композиционных материалов при ремонте систем и оборудования в ЖКХ 223
6.1. Основы разработки технологических методов применения композиционных материалов 223
6.2. Технология устранения основных видов дефектов. 234
6.3. Производственные испытания и внедрение результатов исследований 238
6.4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов 243
Выводы 246
Заключение 248
Список использованной литературы 251
Приложения 270
- Исследование современных ремонтных композиционных материалов и технологии их применения в различных отраслях промышленности
- Математическая модель объекта, представленная в виде детерминированной матрицы
- Методы выбора компонентов при разработке композиционных материалов
- Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на эпоксидной основе
Введение к работе
Актуальность темы. В научно-технической программе «Научные исследования по приоритетным направлениям науки и техники» на 2001-2005 гг., утвержденной Министерством образования РФ, предусмотрена подпрограмма «Научные исследования в области сервиса», которая предусматривает разработку широкого спектра материалов, технологий и технических средств, необходимых для функционирования систем жизнеобеспечения жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). К таким системам, в первую очередь, относятся системы водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения. В настоящее время износ трубопроводов приводит к тому, что до 40% тепла и воды теряется в местных сетях. В РФ протяженность только наружных трубопроводов систем водо-, тепло- и газоснабжения составляет 2 млн. 400 км, а всеми видами ремонта восстанавливается 1-3% изношенных трубопроводов. Используемые в нашей стране металлические трубы из-за целого ряда объективных и субъективных причин, многообразия дефектов и аварийных отключений служат не более 8-Ю лет. В связи с этим поддержание высокой работоспособности системы транспортирования воды за счет ее своевременного и эффективного технического обслуживания, ремонта и реконструкции остается для городских коммунальных служб приоритетной задачей.
Причины выхода из строя системы водоснабжения и теплоснабжения многообразны. Традиционными методами устранения дефектов в указанных системах часто являются замена дефектных участков трубопроводов путем их удаления и установки новых трубопроводов с помощью методов сварки. То же самое происходит и с используемым насосным оборудованием, запорной арматурой и другими объектами систем жизнеобеспечения. Указанные методы ремонта дорогостоящи и не всегда эффективны.
Отечественная и зарубежная практика показывает, что устранение примерно 15-20% дефектов трубопроводов, насосов, запорной арматуры в системах водо-, тепло-и газоснабжения может быть осуществлено за счет технологии применения для их ремонта метало- и минералонаполненных композиционных материалов, работающих по методу «холодной сварки».
Новые технологии ремонта систем жизнеобеспечения ЖКХ на базе новых ремонтных материалов и их применение позволяют обеспечить значительную экономию материальных и трудовых ресурсов Методология такой технологии нуждается в разработке, выявлении всех технологических аспектов и изучении
з РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ]
БИБЛИОТЕКА j
О»
возможностей применения композиционных материалов в различных условиях, обеспечивающих надежную эксплуатацию сияем жизнеобеспечения.
Использование композиционных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, позволяет снизить трудоемкость ремонта на 20-60%, себестоимость работ- на 45-60%, сократить расход металлов на 40-50% . Это обусловлено тем, что новая технология не требует сложного оборудования и высокой квалификации работающих, появляется возможность проводить ремонт без разборки узлов и агрегатов, а также соединений, которые с точки зрения безопасности, трудно и опасно ремонтировать известными способами.
Использование металлополимеров для соединения элементов и в ремонтных целях позволяет заменить традиционные методы соединений (сварку, пайку, наплавку и т.п.) новым технологическим процессом, получившим название «холодной сварки», обеспечивающим надежное и качественное устранение дефектов и аварийных ситуаций.
Представленная работа выполнялась в соответствии с планами НИР
Московского государственного университета сервиса, утвержденным
Минобразованием РФ, по темам:
в 1997 г. - «Разработка технологий экстренного ремонта дефектов и устранение
прорывов и течей жидкости в аварийных ситуациях и при стихийных бедствиях;
в 2001-2002 гг. - «Разработка научных основ процессов полимеризации
быстроотверждающихся полимерных систем».
В 2003-2004 г.г. в соответствие с планом НИР Московского городского комитета по науке и технологиям проводились договорные работы на выполнение НИОКР, утвержденные Управлением топливно-энергитического хозяйства Правительства Москвы, в том числе:
«Разработка ресурсосберегающих технологий ремонта городских систем тепло-,
газо-, водоснабжения на базе применения новых быстроотверждающихся
композиционных материалов»;
«Разработка высокотемпературного (до +250 С) композиционного материала и
технологии его применения для ремонта системы теплоснабжения городского
коммунального хозяйства».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методов восстановления трубопроводов и оборудования в системах жизнеобеспечения коммунальною хозяйства с использованием композиционных материалов,
обеспечивающих восстановление ресурса и снижение затрат на поддержание работоспособного состояния этих систем. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи;
оценка возможности использования композиционных материалов для
восстановления трубопроводов и оборудования в ЖКХ на основе проведения
исследования ремонтных материалов и технологий, применяемых при ремонте
систем водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения;
систематизация дефектов в системах жизнеобеспечения ЖКХ и разработка
методологии их анализа с целью определения причин дефектов и последующего
оперативного диагностирования и разработки мероприятий по их устранению;
разработка физико-химических методов формирования состава ремонтных
композиционных материалов и определение зависимостей изменения их
характеристик путем изменения количественного и качественного состава
компонентов;
установление зависимости адгезионных характеристик композиционных
материалов от технологических и эксплутационных факторов восстанавливаемых
объектов;
разработка физико-технологических методов применения композиционных
материалов при восстановлении трубопроводов и оборудования в ЖКХ, проведение
испытаний технологий и оценка их надежности на конкретных объектах.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке комплексных научно-обоснованных методов восстановления систем жизнеобеспечения ЖКХ, которые определяются оптимальным составом ремонтных композиционных материалов, выявлением их адгезионных свойств и рациональной технологией восстановления конкретных элементов системы с учетом их дефектов и повреждений на основе использования:
систематизации дефектов систем жизнеобеспечения ЖКХ, учитывающей причины
их появления и позволяющей оперативно их диагностировать и назначать
технологию их устранения;
методологии формирования состава ремонтных композиционных материалов и
определения зависимостей их характеристик от количественного и качественного
содержания и свойств входящих компонентов;
закономерностей изменения адгезионной прочности композиционных материалов
от параметров шероховатости поверхности и условий контактного взаимодействия с
ней и зависимостей физико-механических и технологических характеристик композиционных материалов от температуры в процессе полимеризации и в процессе эксплуатации восстанавливаемых объектов.
Теоретически обоснованы технологические методы устранения дефектов и повреждений в системах жизнеобеспечения ЖКХ, учитывающие конкретные условия эксплуатации систем и позволяющей существенно сократить затраты на поддержание и восстановление их работоспособного состояния.
Основные положения, выводы и рекомендации, которые выносятся на защиту:
система классификации дефектов трубопроводных систем и оборудования и
методология их анализа, основанная на методах математического моделирования;
разработка физико-химических методов создания новых композиционных
материалов на полимерной основе с различной скоростью полимеризации и
высокими физико-механическими и технологическими характеристиками;
результаты физико-химических исследований ремонтных композиционных
материалов и установление зависимостей их характеристик от состава и
количественного содержания входящих компонентов;
результаты исследования закономерностей изменения адгезионной прочности
композиционных материалов от параметров шероховатости поверхности и условий
контактного взаимодействия;
экспериментальные зависимости физико-механических и технологических
характеристик композиционных материалов от температуры в процессе
полимеризации и в процессе эксплуатации объектов;
методология устранения дефектов в системах жизнеобеспечения городского
коммунального хозяйства и на промышленных предприятиях;
результаты производственных испытаний и внедрения методов устранения
дефектов в городском коммунальном хозяйстве в системах водо-, тепло- и
газоснабжения, атакже на промышленных предприятиях
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной испытательной аппаратуры, новейших научных приборов для исследования химического состава материалов и состояния поверхности деталей, представленным объемом экспериментальных данных и хорошей их сходимостью (Р=0,95).
Практическая значимость и реализации результатов работы.
Предложена методика автоматизированного определения причин дефектов и мероприятий по их устранению (для систем жизнеобеспечения ЖКХ) на основе методов математического моделирования и вероятностной оценки событий.
Разработаны новые ремонтные композиционные материалы, которые прошли успешную апробацию на многих предприятиях и используются в настоящее время в качестве ремонтного средства для ликвидации дефектов литья и восстановления работоспособности трубопроводов и оборудования в системах жизнеобеспечения ЖКХ и промышленных предприятиях.
Разработаны технические условия на ремонтные композиционные материалы «Полимет», «Мультипласт» и «Поликом» и технологический регламент по проведению ремонтных работ на оборудовании и трубопроводах методом «холодной сварки» с применением металлополимера «Полимет», который используется ремонтными службами ЖКХ г.Мытищи.
Так технология ремонта оборудования и трубопроводов с использованием композиционных материалов и технология ликвидации дефектов литья внедрена на АО «Мытищинские теплосети», МУП «Водоканал», ГУЛ «Газовый трест» и на ряде промышленных предприятий и ремонтных организациях, занятых эксплуатацией и обслуживанием систем водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения.
Технология ремонта с использованием композиционных материалов не требует энергетических затрат, имеет широкую область применения и обеспечивает высокую экономическую эффективность.
Личное участие автора заключается в постановке и решении задач по систематизации дефектов систем жизнеобеспечения ЖКХ, оперативному определению их причин и назначению мероприятий по их устранению; в разработке физико-химических методов создания новых ремонтных композиционных материалов и установлении зависимостей их характеристик от количества и качества входящих компонентов; в установлении закономерностей изменения адгезионной прочности от параметров шероховатости восстанавливаемой поверхности и условий контактного взаимодействия с ней.
Автором теоретически обоснованы, разработаны и внедрены в производство технологические методы устранения дефектов и повреждений в системах жизнеобеспечения ЖКХ, учитывающие конкретные условия эксплуатации систем и
позволяющие существенно сократить затраты на поддержание и восстановление их работоспособного состояния
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на следующих научно-технических семинарах и конференциях: Всесоюзная научно-техническая конференция "Сборка-89" (г. Кишинев, 1989); научно-технический семинар "Автоматизация процессов механообработки и сборки в машино- и приборостроении" (г. Алушта, 1991); научно-техническая конференция "Полимерные материалы: производство и экология" (г. Ярославль, 1995); научно-техническая конференция "Перспективы создания и использования новых клеящих материалов, герметиков, компаундов в народном хозяйстве" (г. Москва, 1994); научно-техническая конференция "Технология и оборудование для производства резинотехнических материалов, клеев, герметиков, компаундов, лаков и красок" (г. Москва, 1995), Международная научно-техническая конференция "Перспективы создания и использования новых клеящих материалов, герметиков, компаундов в народном хозяйстве" (г. Анталья, Турция, 1997); научно-технический семинар "Ремонт и восстановление энергооборудования как фактор повышения его работы" (г. Конаково, 1998); научно-техническая конференция "Создание и использование новых перспективных материалов для радиоэлектронной аппаратуры и приборов" (г. Москва, 2000); Международная научно-техническая конференция "Неделя горняка" (г. Москва, 1998, 2001, 2004); 2-й Международный научно-технический семинар "Современные методы сборки в машиностроении и приборостроении" (г. Свалява-Киев, 2002), 3-й Международный научно-технический семинар "Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении" (г. Свалява-Киев, 2003); международные конференции "Индустрия сервиса в XXI веке" (КДС, г. Москва, 2000-2001), международные научно-практические конференции "Наука - сервису" (г. Москва, 2000-2003); ежегодные научно-технические конференции МГУ сервиса (2000-2004).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано. 1 монография, 40 статей в научно-технических журналах, сборниках трудов и тезисах конференций; получено 3 авторских свидетельства, 6 патентов РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст изложен на 270 стр машинописного текста и включает73 рисунка, 65 таблиц, список литературы включает 270 наименований.
Исследование современных ремонтных композиционных материалов и технологии их применения в различных отраслях промышленности
В настоящее время, характеризующейся перестройкой в системе ЖКХ городов и населенных пунктов, коммунальными службами крупных городов вес более пристальное внимание уделяется перспективным технологиям восстановления таких важных систем жизнеобеспечения человека, какими являются, водоснабжение, теплоснабжение и газоснабжение. Важнейшими элементами этих систем являются трубопроводы и оборудование, которые работают в различных температурных условиях, но имеют общий характер дефектов и разрушений. В данном разделе проведен анализ причин выхода из строя трубопроводных систем и даются предложения по использованию прогрессивных композиционных материалов для их ремонта с целью дальнейшего функционирования.
Трубопроводы - это артерии промышленности и жизнеобеспечения человека, без них невозможна какая-либо производственная деятельность и нормальная работа системы городского коммунального хозяйства, т.е. организация нормального водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения. Трубопроводы используются для транспортировки жидкостей, газа, а также твердых веществ, перемещаемых под давлением. Использующиеся для этих целей трубы и трубопроводы по самым разным причинам могут повреждаться и протекать.
Коррозия и воздействие химических веществ приводят к прогрессирующему уменьшению толщины степок труб, вплоть до образования проходных отверстий; в сварных трубопроводах может появиться утечка из-за дефектов сварного шва.
Замерзание жидкости в закупорившихся трубопроводах под воздействием низких температур также может иметь тяжелые последствия.
Полностью вывести из строя трубы и трубопроводы также могут и абразивные материалы. Это обычно происходит возле колена трубы и Т-образных соединений, так как в этих местах абразивные материалы ударяются о стенки труб, а также в заслонках, задпижках и т.п. Аварийное состояние труб или трубопроводов может привести (как крайний случай) к прекращению всей производственной деятельности предприятия или приостановить подачу продуктов жизнеобеспечения (воды, тепла, газа) в населенные пункты. Жидкость или газ, вытекающие из отверстий в трубопроводах могут образовывать взрывоопасные смеси или причинять вред, связанный с загрязнением окружающей среды. Эррозиопшя коррозия, вызванная наличием пара на торцах фланцев, может осложнять проведение технического обслуживания, а усталостные изломы па вентиляционных каналах охлаждающего устройства являются причинами многочисленных неполадок.
Срок службы трубопроводов зависит от материала, из которого он изготовлен. Например, стальные водо- и теплопроводы должны эффективно эксплуатироваться в течении 20-25 лет, а чугунные - до 60 лет. Однако старение коммунальных сетей трубопроводов, снижение их пропускной способности может наступить и в более ранние сроки (через 5-10 лет после их прокладки) из-за влияния отдельных или совокупности ряда следующих факторов: несоответствие материала труб условиям эксплуатации, нарушения условий прокладки трубопроводных систем в соответствующих грунтах, агрессивного характера воды или теплоносителя, коррозии стенок, возможности накипеобразования, биообрастаний и т.п [140, 167].
Основными видами повреждений (дефектов), вызывающих аварии на трубопроводах системы водоснабжения являются: для стальных труб - сквозные проржавлений (до 70% по опыту Московского водопровода); для чугунных труб - нарушение герметичности раструбных соединений (до 12%) и переломы труб (16%). Преобладающее количество повреждений приходится па трубы малого диаметра (до 200 мм), что составляет около 75% их общего количества [59, 70]. Главные причины повреждений водопроводов - износ труб, низкое качество материала, избыточные напоры, наружная и внутренняя коррозия, резкие сезонные перепады температуры и другие факторы [59, 70, 79].
Специальные исследования, проведенные в нашей стране, позволили выявить частоту дефектов, которые были классифицированы как структурные (продольные, круговые и микротрещины) и приобретенные (ржавчина, свищи, трещины, биообрастание, наносы, деформация, разрушение стыков и т.п.). Из 90 км трассы трубопроводов 11,8 км были в той или иной степени подвержены различным дефектам. Порядка 2% дефектов (при длине трубопровода 1,8 км) были оценены как существенные. В среднем, на 1 км длины трубопроводов приходилось 88 дефектов. Исследования показали, что на долю приобретенных дефектов приходится 55% от их общего количества [109, 210, 211]. Традиционным методом ремонта водопроводных сетей является замена дефектных участков трубопроводов. В теплоснабжающих системах наиболее ответственной и наименее надежной составной частью также являются трубопроводы тепловых сетей. Многолетний отечественный и зарубежный опыт эксплуатации тепловых сетей указывает на их недолговечность, что обусловлено, главным образом, низкой коррозионной стойкостью трубопроводов тепловых сетей, что приводит, в итоге, к появлению свищей, сквозных язв и трещин [104,109, 116].
Анализ коррозионных разрушений на теплопроводах, проведенный Академией коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, показал, что коррозионные разрушения являются главной причиной повреждения трубопроводов тепловых сетей и составляют около 90% [109,210].
Так же, как и при ремонте водопроводных сетей, основным методом устранения дефектов теплопроводов является замена поврежденных участков. При этом используется энергоемкое оборудование и значительные трудовые ресурсы.
Анализируя в целом статистику дефектов систем водоснабжения и теплоснабжения и, проследив цепочку «дефект - причина возникновения - мероприятие» по устранению, характеристику дефектов трубопроводов можно представить в виде структурной схемы, изображенной на рис. 1.1 [192}.
По официальным данным, из 700 тыс. км действующих в России трубопроводов системы водоснабжения более половины поражены внутренней коррозией и другими дефектами, а 50 тыс. км коммуникаций находятся в предаварийпом состоянии [116,140, 210].
К 2010 гг. при отсутствии экстренных мер по восстановлению и ремонту водопроводных сетей, две трети действующих трубопроводов будут разрушены, что может привести к нарушению нормальной жизнедеятельности городов.
Практика эксплуатации городских водопроводных сетей в РФ показывает, что нарушения нормального уровня водообеспечения различных потребителей связаны, в основном, с авариями (отказами) на участках трубопроводов, которые являются наиболее функционально значимыми и уязвимыми элементами системы водоснабжения города [143,144,180].
Математическая модель объекта, представленная в виде детерминированной матрицы
Основным машиностроительным материалом конструкционного назначения, особенно в массовом производстве, остается металл. Традиционно для ремонта металла используют также металл; при этом прочность ремонтного соединения в конечном счете определяется взаимодействием атомов металла ремонтного состава и ремонтируемой поверхности. Это взаимодействие может быть обеспечено только в процессе кристаллизации металла, что неизбежно требует термического воздействия на ремонтируемые объекты. Поэтому при традиционных способах ремонта и восстановления деталей ремонтные службы вынуждены использовать громоздкое технологическое оборудование и обеспечивать его высококвалифицированное обслуживание.
Традиционными методами ремонта трубопроводных систем являются сварка, пайка, наплавка и другие энергоемкие методы. Дефекты трубопроводов, такие как трещины, свищи, сквозные отверстия либо завариваются, либо на их место привариваются соответствующие металлические заплаты. При невозможности использования сварки (труднодоступные места, ремонт в полевых условиях и т.п.) применяют резиновые уплотнители, стянутые металлическими бандажами. Очень часто поврежденные участки трубопроводов вырезаются и на их место привариваются новые трубы.
Новые возможности в технологии ремонта открывает использование мсталлополимерных композиций [40, 44, 192].
Основой адгезии в этом случае является молекулярное взаимодействие полимерной матрицы композиционного материала с металлом ремонтируемой поверхности. Изменение механизма упрочнения позволяет отказаться от термического и механического воздействия на ремонтируемую поверхность в процессе восстановления изношенных деталей оборудования. Вследствие этого технологический процесс с применением металлополимерпых композиций называют технологией холодной молекулярной сварки, или «холодной сварки» [46,47].
Сущность метода «холодной сварки» заключается в том, что специальные полимерные композиции внедряются в молекулярную структуру поверхностного слоя детали, и, используя внутреннюю энергию поверхностных молекулярных слоев, образуют макромолекулярные цепи трехмерной структуры с включением микрочастиц основного материала и металлочастиц наполнителя. Создаваемый при этом поверхностный соединительный слой имеет высокие прочностные и адгезионные характеристики [40,42,192].
Основным преимуществом метода «холодной сварки» является возможность, без необходимости подвода внешней энергии, быстро выполнять высокопрочные соединения и ремонтировать детали из большинства металлических и неметаллических материалов в различных сочетаниях. Особенно эффективно использование метода «холодной сварки» в аварийных ситуациях, когда невозможно отключение аварийного объекта па длительный период, а применение обычной сварки и пайки ограничено из-за взрыво- и пожароопасности и затрудненного доступа к месту ремонта.
Ремонтные материалы на основе металлополимерных композиций применяют более 30 лет. Российским предприятиям предлагается широкий ассортимент этих материалов. В их многообразии по рекламным проспектам фирм рядовому потребителю разобраться непросто.
Нередко разные производители под своими фирменными названиями выпускают однотипную продукцию, цена на которую может существенно (в несколько раз) различаться. Ремонтные материалы отечественных разработок (до недавнего времени) практически не применялись ввиду отсутствия их промышленного производства и соответствующей информированности о них потенциального потребителя. Однако за последние 10-12 лет в России появились предприятия, которые не только производят по заявкам потребителей требуемое количество ремонтных материалов, но и разрабатывают прогрессивные технологии ремонта и участвуют в проведении ремонта различного оборудования и систем на предприятиях [16, 17, 23, 35, 37, 47, 110, 112].
Следует отметить, что в связи с тем, что проблема применения методов холодной сварки и соответствующих ремонтных материалов отличается новизной, то число публикаций по этой проблеме невелико, поэтому обзор литературных источников ограничивается, в основном, рекламными проспектами зарубежных фирм-производителей и публикациями в отечественных периодических изданиях за последние 10 лет, когда в нашей стране собственно и начались работы по созданию ремонтных композиционных материалов [40,44,72, 157].
Несмотря на невысокие (по сравнению с металлами) прочностные характеристики композиционных материалов и адгезионных соединений полимер-металл, а также на невысокую допустимую рабочую температуру восстановленных соединений (в большинстве случаев не выше 150-180 С), применение композиционных материалов в ремонтных работах возрастает во всем мире. В настоящее время уже достаточно четко определились те области, в которых использование полимерных материалов предпочтительно, а их цепные свойства используются наиболее эффективно [50, 52, 53, 66, 74, 87, 90, 181,185, 191, 223].
Ремонтно-восстаповительные работы с применением полимерных материалов в различных отраслях промышленности можно условно разделить на три основных направления: 1. Использование полимерных материалов для устранения брака и дефектов основной продукции предприятия, например, литьевого брака заготовок деталей; 2. Ремонт основного и вспомогательного технологического оборудования самих предприятий (насосного и вентиляционного оборудования, обрабатывающих станков, трубопроводов, технологических емкостей и др.); 3. Ремонт систем жизнеобеспечения в городском коммунальном хозяйстве. Структурная схема возможностей использования ремонтных композиционных материалов представлена на рис. 1.3 [192]. Использование ремонтных полимерных материалов в первом случае более затруднено, так как обычно требует длительного согласования и утверждения (в том числе и с заказчиком) коиструкторско-технологической документации на применение полимерных материалов при производстве основной продукции предприятия. Во втором случае применение полимерных материалов связано с не меньшей ответственностью, но процесс согласования гораздо короче: решения принимают ремонтные службы самих предприятий и руководство. В третьем случае качественное функционирование систем жизнеобеспечения городского коммунального хозяйства обеспечивают соответствующие ремонтные службы городов и населенных пунктов. Однако при очевидной эффективности использования композиционных материалов при ремонте систем водоснабжения, теплоснабжения, газоснабжения эти материалы используются довольно ограниченно. Представленная на рис. 1.3 укрупненная структурная схема не характеризует всех возможностей применения композиционных материалов в ремонтном производстве, т.к. в настоящей диссертационной работе основной упор сделан на их использование при ремонте оборудования и систем жизнеобеспечения городского коммунального хозяйства.
Методы выбора компонентов при разработке композиционных материалов
Первые работы по применению полимерных материалов для ремонтных целей в нашей стране осуществлялись в автомобильной промышленности и авторемонте в 1970-80 годах [129, 130,133,134].
Было предложено готовить ремонтные композиции непосредственно на месте ремонта. При этом в полимерную составляющую композиции, которой служил эпоксидный клей, предлагалось добавлять различные наполнители и модифицированные добавки с целью приобретения новых свойств, требующихся для ремонтных целей. Для каждого конкретного случая ремонта предлагалась своя рецептура, технология се приготовления и использования. Чтобы применять такую технологию, необходимо на каждом рабочем месте иметь наборы компонентов для составления ремонтных композиций. Подобная технология ремонта не всегда осуществима, ибо отсутствие даже одного из составляющих компонентов делает невозможным осуществление требуемого ремонта.
Поэтому создание готовых к применению композиционных материалов для ремонтных целей явилось важной и актуальной задачей, решению которой были посвящены труды ученых, разработки НИИ и предприятий нашей страны [40, 53, 72, 130, 197].
В нашей стране работы но созданию ремонтных композиционных материалов и технологии их применения начались в начале 90-х годов прошлого столетия, опыт их внедрения сравнительно невелик, и число публикаций довольно ограничено. Этой проблеме посвящены труды профессоров Буравлева Л.Т. (НПП «ЛЕО»), Волкова Г.М. (МАМИ) [40-47], Мотовилина Г.В. (ЛПИ) [128-134], Ищенко А.А. (ПГТУ) [72-74].
Под руководством Буравлева Л.Т. были разработаны металлополимеры марки «ЛЕО», которые предназначались для нужд промышленного производства. Впервые они были применены в судостроении и судоремонте для восстановления изношенных деталей и неразборных узлов, не пригодных для ремонта традиционными методами, когда их проведение технически сложно, либо невозможно. НПП «ЛЕО» было организовано производство металлополимеров «ЛЕО-сталь» и «ЛЕО-керамика», поставка потребителю ремонтных комплектов весом в 4,5 кг, в который входят инструкция по применению и технологические рекомендации. Сотрудники НПП «ЛЕО», тесно сотрудничая с предприятиями Минсудпрома, провели ряд успешных работ по ремонту и обучению специалистов в этой отрасли.
Хорошие результаты были показаны при ремонте судовых машин и механизмов; судовых трубопроводов и путевой арматуры, фланцевых соединений; гребных винтов и насадок гребных винтов; топливных и масляных цистерн, цистерн питьевой воды; теплообмемных аппаратов, трубных досок и др.
На металлополимеры марки «ЛЕО» были получены соответствующие сертификаты р и Допуски Морского Регистра РФ. По своим физико-механическим характеристикам они в основном не уступают материалам известных зарубежных фирм, но технологическое неудобство создает соотношение компонентов.
В настоящее время материалы «ЛЕО-сталь» и «ЛЕО-керамика» успешно применяются при ремонте технических средств нефтепродуктообеспечения. Предварительно проводились исследования совместимости нефтепродуктов с ремонтными материалами, которые показали, что они не оказывают влияния на качество нефтепродуктов, а нефтепродукты не влияют на прочностные характеристики ремонтных композиций.
Аналогичные по качеству материалы в настоящее время применяются в производственной практике фирмой «Мосинтраст» (Москва), которая широко использует при ремонте производственного оборудования ремонтные композиционные материалы марки «Мультипласт» [53].
К числу уникальных работ, выполненных фирмой ((Мосинтраст», относится реставрация колокола для храма Христа Спасителя. Для ремонта самого большого колокола двадцатого века были использованы композиционные материалы марки «Мультипласт» [52].
Имеются публикации успешного применения материалов «Мультипласт» при ремонте различного технологического оборудования, в том числе и в пищевой промышленности, где эти работы осуществляются под руководством профессора СВ. Чувахина [23]. Труды профессора МАМИ Волкова Г.М. посвящены в основном использованию ремонтных композиционных материалов в автомобильной промышленности и авторемонте [40-47].
Для осуществления ремонта был создан базовый состав ремонтного композиционного материала «РЕКОМ-Б», который явился основой для новых марок «РЕКОМ», обладающих свойственными только ему характеристиками, а именно, работоспособностью в абразивных и химически активных средах, электропроводностью, электроизоляционными или другими свойствами. Были определены области возможного применения материалов «РЕКОМ», выявлены детали, подлежащие ремонту, определены характерные дефекты и разработаны технологические рекомендации по их устранению. Однако широкому использованию материалов «РЕКОМ» препятствует низкий уровень сервисного обслуживания и незнанию специалистами ремонтных предприятий особенностей применения материалов Б ремонтном производстве.
Работы профессора Ищенко А.А. посвящены технологиям ремонта с использованием металлополимерных композиционных материалов различных видов оборудования в металлургическом производстве [72-74].
Научно-производственной фирмой «ТЕХПРОС» при финансовой поддержке Государственного Комитета по науке и технике (ГКНТ) в 1992 г успешно завершена работа по созданию отечественного композиционного материала «Полимет», состав которого был запатентован [188]. За базу сравнения при разработке «Полимета» был выбран один из лучших зарубежных аналогов «Дурметалл» швейцарской фирмы «Velodur chemical». В результате исследований из отечественных составляющих был создан композиционный материал «Полимет». При проведении сравнительных испытаний материалов «Полимет» и «Дурметалл» было установлено, что по основным характеристикам «Полимет» не уступает «Дурметаллу», а по ряду прочностных показателей даже превосходят последний, что наглядно характеризуется таблицей 1.4 [197]. Опыт применения «Полимета» подтвердил широкие возможности его использования. В настоящее время он используется на ряде предприятий для устранения литейных дефектов. Проведены успешные испытания «Полимета» для ремонта трубопроводов в системах водоснабжения и теплоснабжения [192].
В трудах специалистов Московского Университета инженеров сельскохозяйственного производства им. Горячкина В.П. отражены технологические разработки и примеры использования клеевых и металлоиолимерпых композиции для ремонта автотракторной техники [17].
НИИ полимеров им. Каргина В.А., ранее специализировавшийся па разработке и производстве анаэробных клеев и гермстиков, также внес свой вклад в разработку ремонтных композиций. Они отличаются своими особенностями и возможностями применения, ибо полимерной основой у них служат не эпоксидные, а акриловые составляющие с использованием различных наполнителей. Их названия традиционны для продукции этого предприятия. Производимые клеи-компаунды представляют собой двухупаковочпьге композиции холодного отверждения, которые после смешения основы и отвердителя образуют пастообразные или жидкие составы, используемые при ремонте [б, 208].
Разработка композиционных материалов ускоренного отверждения на эпоксидной основе
Химическое модифицирование также оказывает влияние на адгезию соединений полимер-металл. Одним из методов химического модифицирования является создание на поверхности металла окисных пленок. Состав и физико-химические свойства поверхности металлов, се дефекты химического, кристаллографического или другого порядка определяют механизм и глубину реакций поверхностного окисления.
Процесс образования окисла начинается с адсорбции кислорода. Возникающая между металлом и кислородом связь носит в основном ионный характер, при этом вследствие более высокой электроотрицательности кислорода и перехода электрона от металла к кислороду вытесняя часть адсорбированной пленки несет отрицательный, а внутренняя положительный заряд. Адсорбция кислорода на металл приводит к росту контактного потенциала, а также к изменению физических, механических и других свойств металла. С увеличением толщины окисная пленка все более экранирует силовое поле металла, а свойства поверхности при этом приближаются к свойствам окисла. При увеличении толщины прочность окисной пленки уменьшается, и в результате она может оказаться наиболее слабым элементом адгезионного соединения. С другой стороны, развитие процесса окисления металла приводит к увеличению пористости, а, следовательно, и к увеличению степени развитости поверхности, что при удовлетворительной прочности окисной пленки будет способствовать увеличению прочности адгезионного соединения за счет возрастания механической составляющей адгезии [19].
Кроме различия в структуре и толщине окисные пленки отличаются химическим составом (некоторые металлы имею несколько видов окислов, например железо), которые также оказывают влияние на адгезию [122].
Другим распространенным способом химического модифицирования поверхности является фосфатирование. Процесс фосфатирования состоит в образовании на поверхности пленки нерастворимых солей ортофосфорной кислоты. Пленки обладают микропористой структурой и являются хорошей основой для нанесения покрытия. Удовлетворительного качества фосфатные пленки получаются на углеродистых и низко углеродистых сталях и чугуне. Применяются обычное и ускоренное фосфатирование. При обычном способе вследствие длительности процесса происходит значительное наводорожнвание поверхностного слоя. С целью повышения скорости фосфатирования применяются растворы, содержащие добавки азотных солей щелочных металлов, меди, цинка. Разрушение соединений с промежуточной фосфатной пленкой идет обычно по фосфатному покрытию [49].
Таким образом для получения прочных адгезионных соединений необходимо учитывать возможности модифицирования его поверхности, что должно найти свое отражение в технологических методах ремонта с использованием композиционных материалов.
Очистка поверхности металла от загрязнений. Перед формированием адгезионного соединения поверхность металла подвергается по меньшей мерс двум типам воздействия: механической обработке и предварительной подготовке поверхности с целью удаления с нее загрязнений. С точки зрения химических свойств загрязнения можно условно классифицировать на следующие виды [19]: - физические или механические (волокна, ворсинки, частицы абразива, металлическая стружка, керамическая, слюдяная и другая пыль), химически не связанная с поверхностью металла; - органические в виде грубых толстых слоен смазок, воска, парафина и т. д. и тонких монослоев физически связанных с поверхностью; - растворимые в воде (соли, кислоты, щелочи, мономеры и т. д.); - химически связанные с поверхностью (окиспые, сульфидные, гидроокисные и другие пленки; - газообразные. В большинстве случаев загрязнения поверхности оказывают отрицательное влияние на качество соединения, что приводит к необходимости разработки методов очистки и определения количества загрязнений на поверхности металла. Поверхность металла можно очищать от загрязнений обработкой в моющих средах и растворителях, химической, механической и термической обработкой, ионной бомбардировкой и т. д. Влияние объемного модифицирования полимера на адгезию. Объемное модифицирование полимеров, оказывающее существенное влияние на адгезию полимеров с металлами, можно условно разделить на молекулярное модифицирование и модифицирование введением гетерогенных добавок (инородной фазы). Наиболее распространенными приемами молекулярного модифицирования является введение низкомолекулярных веществ, изменение состава, строения и молекулярного веса полимера концентрирующими излучениями и термическими воздействиями в вакууме, инертной и окислительной газовой среде, в присутствии мономеров и т. д. Гетерогенное модифицирование можно осуществлять введением в полимер твердых, жидких или газообразных включений, выполняющих роль наполнителей, искусственных структурообразователей и т. д. Для кристаллических полимеров введением небольших количеств (0,5 — 1,0%) дисперсных добавок, инициирующих процесс структурообразования, можно получить такой же эффект изменения физико-механических свойств, как и введением наполнителей (например тех же дисперсных добавок в количестве 10-20% [75]. Низкомолекулярные вещества, вводимые в полимеры, по их назначению можно разделить на термостабилизаторы, сшивающие (вулканизирующие) агенты, наполнители, пластификаторы и др. Их влияние на физико-механические характеристики металлополимерных композиций следует учитывать при разработке новых композитов. Влияние технологических факторов па адгезию полимеров к металлам. На адгезию полимеров к металлам определенное влияние оказывают такие технологические факторы, каковыми является температурно-времепные условия формирования и среда формирования соединений [19].
Температура и продолжительность ее действия являются основными технологическими факторами при формировании соединений металлов с полимерами. Температурио-временной режим формирования оказывает также значительное влияние па свойства покрытий, т. е. односторонних адгезионных соединений, получаемых плавлением дисперсных и пленочных полимеров на поверхности изделия. В большинстве случаев основной характеристикой температурно-временного режима является температура предварительного нагрева изделия.
На рис. 1.12 приведены зависимости адгезии покрытий из различных дисперсных полимеров к стали (Ст.З). Характер разрушений адгезионных соединений, сформированных при различных температурах, характеризуется наличием одного максимума. Уменьшение прочности соединений с увеличением температуры формирования обусловлено уменьшением когезионной прочности полимера, вследствие термоокислительной деструкции.
Для соединений полученных в температурном интервале, соответствующем восходящей ветви графика, на поверхности разрушения наблюдается две зоны, причем в начальной зоне разрушение локализуется у границы полимер-металл, а в заключительной зоне реализуется когезионное разрушение по объему полимера.
