Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние и современные пути повышения эффективности существующих способов защиты от коррозии основных производственных фондов для повышения промышленной безопасности ведения технологических процессов химических производств 8
1.1. Влияние состояния антикоррозионной защищенности основных производственных фондов на безопасность ведения технологических процессов химических производств 8
1.2. Анализ современных способов защиты от коррозии 24
1.3. Выбор путей повышения эффективности способов защиты от коррозии 75
1.4. Выводы 160
ГЛАВА II. Лабораторные исследования и оценка влияния свойств полимерсиликатов на параметры технологии получения полимерсиликатных защитных покрытий 161
2.1. Выбор показателей полимерсиликатов, влияющих на параметры технологии получения покрытий 162
2.2. Исследование и оценка влияния показателей полимерсиликатов на параметры технологии получения покрытий 171
2.3. Выводы 182
ГЛАВА III. Лабораторные исследования и оценка влияния параметров технологии получения покрытий на показатели долговечности полимерсиликатного покрытия 183
3.1. Оценка водопроницаемости 185
3.2. Оценка водостойкости 187
3.3. Оценка химической стойкости 190
3.4. Оценка изменения массы и внешнего вида 196
3.5. Оценка адгезионной прочности 197
3.6. Оценка трещиностойкости 201
3.7. Выводы 201
ГЛАВА IV. Производственные испытания и оценка связи надежности промышленного объекта, защищенного полимерсиликатньш покрытием, с установленными параметрами технологии получения покрытий 202
4.1. Выбор метода испытаний 203
4.2. Выбор промышленного объекта для испытаний 204
4.3. Выбор критериальных характеристик предельного состояния покрытия 211
4.4. Оценка результатов испытаний 212
4.5. Выводы 220
ГЛАВА V. Разработка способа защиты от коррозии основных производственных фондов химических производств 221
Выводы :. 224
Заключение 227
Литература 230
Приложения 251
- Анализ современных способов защиты от коррозии
- Исследование и оценка влияния показателей полимерсиликатов на параметры технологии получения покрытий
- Оценка изменения массы и внешнего вида
- Выбор критериальных характеристик предельного состояния покрытия
Введение к работе
В концепции стратегического развития промышленности Кузбасса на период до 2010 года выделены основные цели [1]: сформировать на базе имеющегося ресурсного, трудового, производственного и научного потенциала современный высокотехнологичный промьгшленньщ комплекс, способный обеспечить выпуск конкурентно-способной продукции- В химической промышленности намечается осуществление реструктуризации предприятий области, относящихся к категории опасных производственных объектов (ОПО), авария в процессе эксплуатации которых может привести к травме (гибели) не только обслуживающих этот объект работников, но и к тяжелым последствиям за пределами нахождения опасного объекта, в том числе и к нарушению экологической безопасности жизнедеятельности населения. От аварий на опасных объектах ежегодно в России получают ущерб здоровью 200 тыс. человек, а погибает в результате аварий и катастроф более 50 тыс. человек. Общий экономический ущерб от чрезвычайных ситуаций техногенного характера достигает 2,06 млрд. руб в год [2].
Важнейшим условием, при котором возможно осуществление всех этапов реструктуризации (проектирование, строительство и эксплуатация) кузбасских промышленных предприятий повышенной опасности, становится соблюдение требований промышленной безопасности, установленные Федеральным законом [3] и принятым для его реализации рядом постановлений Правительства РФ и Госгортехнадзора России [4].
Для кузбасских предприятий обеспечение требований промышленной безопасности приобретает особое значение, так как практически все основные производственные фонды этих предприятий эксплуатируются в условиях воздействия коррозионно-активных веществ и вступили в период интенсификации внезапных отказов по причине значительного коррозионного износа и
старения. В условиях, когда превышен расчетный срок эксплуатации и не проводится коррозионный мониторинг, в ближайшее время можно прогнозировать увеличение аварийности на указанных объектах.
Таким образом, повышение противокоррозионной защищенности инфраструктуры ОПО в Кузбассе является актуальной научно -технической задачей и неотъемлемой частью политики предприятий в области управления экологической и техногенной безопасностью.
Изложенное подтверждает актуальность настоящей работы, посвященной исследованию и разработке способа защиты от коррозии основных производственных фондов химических производств для повышения безопасности ведения технологических процессов.
Цель работы состоит в разработке способа защиты от коррозии основных производственных фондов для повышения промышленной безопасности химических производств.
Идея работы заключается в использовании закономерностей показателей полимерсиликатов для установления параметров технологии получения покрытия, определяющих эффективность антикоррозионной защиты при борьбе с коррозией основных производственных фондов для повышения безопасности ведения технологических процессов в химических производствах.
Диссертация состоит из пяти глав. В главе 1 выявлены современные пути повышения эффективности существующих способов защиты от коррозии направленные на повышение безопасности ведения технологических процессов химических производств. Установлено, что эффективный метод борьбы с коррозией с использованием полимерсиликатных составов способен обеспечить задашгую долговечность основных производственных фондов в химических производствах, но не может быть реализован из-за недопустимо малого значения показателя продолжительности схватывания, повышение которого требует выявления особенностей влияния показателей по-
лимерсиликатов на параметры технологии получения покрытий, обеспечивающие эффективность антикоррозионной защиты. В главе 2 выявлены особенности влияния показателей пол им ер силикатов на параметры технологии получения покрытий, заключающиеся в возрастании продолжительности схватывания при увеличении содержания воздухововлекающей и пластифицирующей добавок в условиях высокоскоростного длительного перемешивания. В главе 3 определено положительное влияние установленных параметров технологии получения покрытий на показатели долговечности полимер-силикатных защитных покрытий путем исследования и оценки: водонепроницаемости, водостойкости, химической стойкости, трещиностойкости и адгезионной прочности. В главе 4 установлена связь эффективности антикоррозионной защиты с установленными параметрами технологии получения покрытий путем оценки и прогноза долговечности полимерсиликатного защитного покрытия на поверхности промышленного объекта, эксплуатирующегося в особо-агрессивных условиях ведения технологического процесса. В главе 5 описан разработанный способ защиты от коррозии, предусматривающий применение установленных параметров технологии получения покрытий с учетом состава и вязкости грунтующей композиции, внедрение которого обеспечивает заданную долговечность восстановленным объектам.
Работа выполнена на кафедре химии и технологии неорганических веществ Государственного учреждения "Кузбасский государственный технический университет".
&
Анализ современных способов защиты от коррозии
Основными направлениями повышения эффективности существующих способов защиты от коррозии являются мероприятия по комплексному решению взаимообусловленных задач: установление причин и закономерностей коррозионных отказов объектов инфраструктуры, создание системы коррозионного мониторинга с учетом специфики отказов, обоснованный выбор и оптимизация конструкционных материалов, технологий и средств антикоррозионной защиты, нормативное, сертификационное и информационное обеспечение для оценки коррозионного ресурса и средств антикоррозионной защиты, подготовка специалистов соответствующей квалификации в области контроля качества антикоррозионной защиты, материально-техническое обеспечение для коррозионного мониторинга, организационно-технические задачи, технико-экономические мероприятия. Важность и своевременность решения вышеперечисленных задач обусловлены возрастанием уровня требований к качеству экспертизы промышленной безопасности в условиях крайней степени коррозионного износа и сверхнормативных сроков эксплуатации в коррозионно-активных средах оборудования и сооружений ОПО, одним из составных элементов которой является техническое диагностирование. Проблема оценки технического состояния и сроков безопасной эксплуата-ции сложных технических систем решается в каждой отрасли специальным инженерным подходом [26] с учетом методических указаний Госгор-технадзора [27]. Если на стадии проектирования определяется прогнозируемый ресурс "генеральной совокупности проектируемых технических систем", то на стадии эксплуатации необходимо оценивать индивидуальный ресурс по данным диагностической оценки технического состояния объекта. Поэтому для определения остаточного ресурса - времени безопасной работы технического устройства до достижения эксплуатационного ресурса или времени перехода в предельное состояние из-за деградации свойств конструкционного материала вследствие коррозии, воздействия температуры, действующих и остаточных напряжений - необходим мониторинг свойств материалов в реальном масштабе времени. Свойствами конструкционного материала, определяющими ресурс технического устройства в химических производствах с коррозионно-активными веществами являются коррозионно-механические свойства:
- коррозия приводит к уменьшению толщины, потере плотности, изменению состава и структуры поверхностных слоев, снижению прочности, пластичности и трещиностойкости конструкционных материалов; - влияние температуры способствует резкому повышению коррозионной активности технологической среды и проявляется в возможных фазовых и структурных превращениях металла и поверхностных слоев, снижении характеристик длительной прочности, пластичности и термической усталости; - действующие и остаточные напряжения, помимо усугубления влияния коррозионных сред, непосредственно определяют длительную прочность и циклическую долговечность. Наиболее опасными видами коррозии, определяющими ресурс основных производственных фондов в химических производствах с коррозионно-активными средами, являются [6, 7]: - коррозионное растрескивание под напряжением (КРН); - коррозионная усталость (КУ); - межкристаллитная коррозия (МКК); - структурно-избирательная коррозия (СИК); - водородное охрупчивание (ВО); - водородная коррозия (ВК); - эрозионная коррозия (ЭК); - газовая коррозия (ГК); - контактная коррозия (КК); - язвенная коррозия (ЯК); - питтинговая коррозия (ПК). Коррозионное растрескивание под напряжением - это преждевременное разрушение металлов, происходящее при непрерывном воздействии коррозионно-активной среды и растягивающих остаточных или приложенных напряжений. КРН происходит при одновременном воздействии значительных растягивающих напряжений и среды, вызывающей коррозию (например, тех нологической среды химических производств, воды, конденсата, сварочных флюсов, обезжиривающих смесей, смазок, органических растворителей и различных химических веществ). Растягивающие напряжения возникают на поверхности металла при статической нагрузке. При достаточно длительной выдержке сочетание коррозионных процессов в металле с высокими локаль ными концентрациями напряжений приводит к потере прочности. Неметал лические материалы проявляют аналогичную модель разрушения.
Исследование и оценка влияния показателей полимерсиликатов на параметры технологии получения покрытий
Исследование и оценка влияния показателей полимерсиликатов на параметры технологии получения покрытий. При подборе количественного содержания составляющих компонентов и оптимального соотношения между ними мы исходили из условий наименьшего расхода жидкого стекла, соблюдения хорошей удобоукладываемо-сти, повышения жизнеспособности. С одной стороны, мы учитывали имеющиеся в литературе [72, 75, 81-85] сведения об отрицательном влиянии полимерных добавок на жизнеспособность полимерсиликатов, средняя продолжительность которой составляет около 45 минут, что значительно меньше по сравнению с портландцемент-ными составами. Допустимое уменьшение гексафтросиликата натрия приводит к увеличению жизнеспособности не более, чем на 10 - 15 минут. Начавший схватываться полимерсиликатный состав к работе непригоден.
С другой стороны [77, 145], известно, что при малой жизнеспособности смеси связующее представляет собой не гель, а твердый коллоидный раствор кремнезема в высохшем жидком стекле из-за того, что количество не-прореагировавшего жидкого стекла возрастает. В технологии растворов силикатов известно, что при введении реагентов в систему не удается полностью избежать локальных явлений, связанных с высокой скоростью реакций по сравнению со скоростью гомогенизации. При этом осаждение кремнезема на поверхностях твердой фазы гексафторсиликата натрия является первой стадией, и тогда взаимодействие реагентов в течение длительного времени ограничивается узкой зоной контакта фаз. Образование студенистых осадков малорастворимых гидрооксидов металлов происходит еще более легко и также способствует созданию мембраны на границах смешиваемых фаз.
Ввиду сложности процесса взаимодействия жидких стекол с компонентами полимерсиликатных составов качество защитного покрытия в очень сильной степени зависит от частных тонкостей технологии (скорости и продолжительности перемешивания), а не только концентрации и соотношения реагентов, температуры, влажности и т. д. Авторами [142, 143] установлена взаимосвязь между оптимальностью дозировки структурообразующих добавок и пластификаторов, с одной стороны, и скоростью и продолжительностью перемешивания, с другой, на физико-химические и технологические характеристики бетонных смесей. В частности, установлено, что при высокой скорости перемешивания через 15 минут после начала перемешивания в автобетоносмесителе бетонные смеси становятся практически однородными. Газосодержание достигает максимальной величины через 30 минут и при дальнейшем перемешивании (вплоть до 1,5 ч) оно остается на постоянном уровне, обеспечивая высокую морозостойкость конструкциям. Это положение является чрезвычайно важным для наших исследований, так как величина "газосодержания" складывается из двух составляющих: количества выделившегося газа (водорода) и воздуха, всегда вовлекаемого в бетонную смесь при ее перемешивании, С увеличением плотности смеси объем вовлеченного воздуха несколько снижается, однако подвижность композиции достаточно велика за счет оптимального количества пластификатора. Таким образом, можно увеличивать содержание кремнийорганической гидрофобизирующей модифицирующей добавки, удлиняющей жизнеспособность смеси (а значит, продолжительность взаимодействия реагентов) без превышения критического уровня газосодержания, и тем самым формировать высокомодульные ма-логидратированные гидросиликатные связки, обладающие кислото - и щело-честойкостью, за счет стехиометрического взаимодействия гексафторсилика-та натрия с силикатом натрия, диспергированным полиизоцианатами.
Поэтому мы осуществляли подбор и изучали влияние каждой добавки на физико - химические свойства композиций, скорость перемешивания которых в процессе приготовления, значительно превышали традиционно - установленные [81-85]. При этом особое внимание было обращено на продолжительность схватывания (жизнеспособность) растворимых смесей, определяемую временем (в минутах), прошедшем с момента приготовления растворной смеси, до момента, когда она не поддавалась свободному распределению на горизонтальной поверхности (начало затвердевания).
Оценка изменения массы и внешнего вида
Для решения поставленной задачи - достижения длительной адгезионной прочности, обеспечивающей монолитное состояние строительной конструкции с ЗП - на основании результатов научно-технического анализа научных разработок [74, 137-139] и практического опыта эксплуатации [87, 155], было изучено влияние дополнительной технологической операции -грунтования, на показатель долговечности конструкции с ЗП. Поскольку, как известно, длительная адгезия полимерсиликатов с портландцементными покрытиями во время эксплуатации уменьшается, то для достижения нормативного показателя адгезионной прочности 2 МПа [155] требуется стадия промежуточного грунтования. Нормативные документы предусматривают в качестве нейтральных грунтов: разбавленное жидкое стекло, полиизоцианат, эпоксидные клеи, лак этиноль. Однако, наш практический опыт полимерсиликатного оштукатуривания по вышеуказанным грунтам, показал, что через 1 год эксплуатации штукатурка легко отделяется от портландцементной поверхности, кроме поверхности, загрунтованной полиизоцианатом. Кроме того, практическое осуществление данной операции - грунтование полиизоцианатом, особенно поверхиостей большой протяженности, технически сложно из-за повышенной вязкости материала, достигающей 70-90 с, измеренной вискозиметром ВЗ-246 при температуре (20±2)С, не позволяющей распылять материал через устройства воздушного распыления. Принимая во внимание то важное обстоятельство, что первоначальное значение адгезионной прочности, определенное методом силового отрыва [156], для всех вышеперечисленных грунтов соответствовало нормативному значению, была создана грунтовочная композиция, включающая в своем составе те компоненты грунтов, которые химически связывали активную воду или были водорастворимыми. Такой выбор компонентов и подбор состава композиции был обусловлен необходимостью исключить факторы усадочного трещинообразования и эксплуатационного отторжения грунта от увлажненной бетонной поверхности. Готовый грунтовочный состав должен был обладать вязкостью, позволяющей наносить его на поверхность методом пневматического распыления, который кроме повышения эффективности технологического процесса, позволял под действием струи вдавливать грунтующий раствор в поровос пространство бетонной поверхности. В результате экспериментального подбора компонентов, их соотношения и вязкости раствора была составлена модифицированная грунтовочная композиция с оптимальной вязкостью 25-30 с (по вискозиметру ВЗ-246 при комнатной температуре) следующего состава (% масс): полиизоцианат: жидкое стекло: вода = 1:1:1. Оценка адгезионной прочности. При оценке адгезионных свойств ЗП наибольший интерес представляют две группы факторов: - факторы, обеспечивающие адгезионную прочность (адгезионные связи между влажным портландцементным камнем защищаемой поверхности и компонентами грунтовочной композиции; способность полиизоцианата связывать свободную воду; а также водонепроницаемость и силы когезии клеевого соединения; необходимые усилия для нарушения адгезионного соединения, зависящие от условий эксплуатации (температуры, воздействия агрессивных сред, продолжительность действия нагрузки). При этом основным требованием к методам определения адгезии покрытий является количественная оценка поверхностного взаимодействия покрытия с подложкой. Выбор метода. Экспериментальные исследования, проведенные в НИИЖБ [67], показали, что для количественной оценки адгезии наиболее рационально пользоваться методом нормального силового отрыва по ГОСТ 28574-90 [156]. Сущность метода заключается в измерении силы, необходимой для отрыва покрытия от защищаемой бетонной поверхности в направлении, перпендикулярном плоскости покрытия с помощью приклеенного металлического диска и прибора - измерителя адгезии ПСО-МГ4. Приготовление образцов. На выровненную, очищенную от цементного молока, обеспыленную загрунтованную (5 образцов) и незагруитован-ную (5 образцов) по верх н ость бетонных образцов в форме плит размером 100x100 мм и толщиной 50 мм после окончания твердения и набора прочности в течение 28 суток при температуре (20±5)С и относительной влажности воздуха (65±5) % было нанесено полимерсиликатное покрытие толщиной 10 мм в полном соответствии с разработанными рецептурными и технологическими требованиями к приготовлению состава №4. По окончании 10-суточного режима твердения с соблюдением нормативных требований [155] к режиму набора прочности на поверхность ЗП при помощи клея фирмы "Типon" (Германия) были наклеены металлические диски высотой 25 мм и диаметром 20 мм с щарнирным соединением для передачи усилий растяжения. После отверждения клея в течение 24 часов форма образцов была приведена в соответствие с формой металлических дисков. Проведение испытаний. Определение адгезии проводили путем отрыва металлических дисков, закрепленных в приборе ПСО-МГ4. Металлические диски, наклеенные на образцы, были шарнирно соединены с захватным устройством прибора. Нагруженис осуществляли равномерно со скоростью не более 1 МПа/с. Время испытания до отрыва металлических образцов не превышало 70 с.
Выбор критериальных характеристик предельного состояния покрытия
Результаты испытаний. Продолжительность непрерывных испытаний составляла 1 год, так как непрерывный режим работы грануляционной башни не позволял произвести внутренний осмотр и контрольные измерения. По результатам визуального осмотра, проведенного по окончании испытаний, признаков разрушения покрытия (истирания, растворения, растрескивания, шелушения, отслаивания) не обнаружено. Поверхность ЗП не имеет следов налипания карбамида. Установлено, что за контрольное время испытаний ни один из показателей критериальных характеристик не достиг своего предельного значения. (Акт технического осмотра полимерсиликатной штукатурки на внутренней поверхности грануляционной башни карбамида, утвержденный главным архитектором КОАО "Азот" - Приложение 17).Оценка результатов. Прочностные свойства. Предел прочности на сжатие по замерам не менее чем в 15 точках, на каждом контрольном участке сохранил исходное состояние - 25,1 МПа. В отдельных точках на участке на отметке 78 м установлено снижение величины предела прочности на сжатие до 25,05 МПа, т. е. на 0,2 %. Трещиностойкость. При осмотре поверхности покрытия с помощью лупы 10х ни на одном контрольном участке расслоений, сквозных трещин, выкрашивания не обнаружено. Сохранность адгезионного контакта составила 100 %. По границам защищенных участков с незащищенной бетонной поверхностью на расстоянии 15-20 мм отмечено отслаивание по бетонной поверхности, что подтверждает превышение адгезионной прочности между покрытием и бетоном над прочностными свойствами бетона. Для получения прямых количественных результатов химической стойкости и водонепроницаемости с целью прогнозирования долговечности по-лимерсиликатного ЗП были выпилены образцы покрытия из каждой контрольной зоны.
По результатам прямых замеров глубины с торца выпиленного образца установлено, что полимерсиликатное покрытие является практически непроницаемым для воды, аммиака, насыщенного раствора карбамида. Глубина пропитьшания покрытия карбамидом составила 700- 800 мкм в отдельных точках на участке покрытия на отметке 78 м. Причем, эти точки совпали с точками, имеющими сниженный на 0,2 % предел прочности на сжатие. Обсуждение результатов. По результатам проведенных эксплуатационных испытаний полимерсиликатного ЗП на железобетонной поверхности в условиях слабо-, средне- и сильноагрессивного воздействия промышленной атмосферы в условиях повышенной влажности и истирающего эффекта подтверждены высокие антикоррозионные, антиналипные и высокоадгезионные с подложкой свойства покрытия. Результаты исследований позволили рекомендовать оптимизированный полимерсиликатный состав и технологию покрытия на его основе для усиления ослабленных и поврежденных коррозией участков бетона в железобетонных конструкциях с целью обеспечения их заданной долговечности при эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред.
Процесс прогнозирования долговечности полимерсиликатного защитного покрытия. Проблема оценки технического состояния и сроков безопасной эксплуатации сложных технических систем решается в каждой отрасли специальным инженерным подходом [161] с учетом методических указаний Госгортехнадзора [162], которое содержат принципиальные положения методологии определения остаточного ресурса, устанавливают требования к содержанию разрабатываемых методик по определению прогнозируемого ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгор-технадзору России. В качестве базовой концепции определения остаточного ресурса, в качестве которого в соответствии с [27] следует принимать наработку объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в неработоспособное или предельное состояние, в [163] предлагается подход, основанный на принципе "безопасной эксплуатации по техническому состоянию", согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию. В качестве определяющих параметров технического состояния принимаются параметры, изменение которых может привести объект в неработоспособное или предельное состояние. В зависимости от критериев предельного состояния и условий эксплуатации объекта параметрами его технического состояния могут быть характеристики материалов (механические характеристики - пре дел прочности, твердость, трещиностойкость, хим. стойкость и т. д.). В соответствии с принципом безопасной эксплуатации для строительной железобетонной конструкции с ЗП характеристическими параметрами, обеспечивающими ее надежную и безопасную эксплуатацию, будут являться те параметры ЗП, изменение которых может привести строительную конструкцию в неработоспособное или предельное состояние (критерии предельного состояния):
