Анализ коррозионно-механических разрушений конструкционных материалов и разработка антикоррозионной защиты оборудования хлебопекарной промышленности

На рисунке 2.6 представлены микрофотографии поперечных срезов и графики, характеризующие распределение основных элементов (углерода, кислорода, фтора, титана и хрома, а для покрытий - и алюминия) вдоль линии сканирования. По оси ординат показана интенсивность (I) вторичного рентгеновского излучения, характерного для данного элемента, а по оси абсцисс - координата положения сканируемого участка образца (Х). За начальную точку координаты сканирования приняли край пленки и границу между подложкой и покрыти-ем. Зависимость средней интенсивности излучения от координаты точки сканирования позволяет сделать вывод о том, что концентрация компонентов по срезу образца соответствует рецептуре состава, а характер ее свидетельствует одостаточно равномерном распределении этих элементов по толщине.

На рисунке 2.7 представлены поперечные срезы алюминиевой подложки с покрытиями из исходного фторопласта и модифицированных композиций. На микрофотографиях хорошо заметно, что граница раздела алюминий-покрытие менее дефектна у образцов с модифицированными покрытиями, чем у образца с покрытием из исходного полимера. У последнего наблюдаются зазоры (?0,5-2 мкм) между фторопластом и подложкой, в то время как у образцов с модифицированными покрытиями таких дефектов не обнаружено. Вероятно, это связано с тем, что при электростатическом нанесении порошка частицы фторопласта-4МБ, имеющие низкую поляризуемость, медленнее перемещаются в электростатическом поле, чем частицы модифицированного полимера. Действительно, поляризуемость исходного порошка фторопласта - 4МБ составляет 0,31ч2,29Ч10-4 кл/кг, амодифицированных фторопластовых композиций 3,1ч8,91Ч10-4 кл/кг. Можно предположить, что заряженные дисперсные частицы модификаторов со сформированным вокруг каждой из них слоем частиц фторопласта (которые связаны с частицами модификатора силами межмолекулярого взаимодействия), притягиваются к противоположно заряженной поверхности u1072 алюминиевой подложки, обеспечивают повышение адгезионного взаимодействия на границе раздела. В результате модифицированные композиции обладают гораздо более высокой адгезией к металлическойподложке, чем покрытие из исходного фторопласта.

Методом ИК-спектроскопии исследовали образцы покрытий на основе исходного фторопласта, и на основе модифицированных композиций. В спектрах образцов «на просвет» наблюдаются полосы поглощения, которые относят к колебаниям в аморфной фазе, дефектам, обертонам и комбинационным полосам.

Зависимости изменения соотношения кристаллической и аморфной фазы в композициях от содержания модификатора представлены на рисунке 2.8. Соотношение интенсивностей полос поглощения, соответствующие волновым числам D780/D2365 характеризует аморфизацию композиций при модификации. Как видно из графиков, введение большего количества добавок приводит к увеличению содержания аморфной фазы, т.е. уменьшению степени кристалличности покрытия.

Рисунок 2.6. Электронная микрофотография поперечного среза и спектры излучения элементов по траектории сканирования: а - модифицированного покрытия снятого с подложки; б - подложки (левая светлая часть) с модифицированным покрытием.



Рисунок 2.7. Электронные микрофотографии поперечных срезов алюминиевой подложки (левая сторона микрофотографий) с покрытиями: а - из исходного фторопласта, б - фторопласта-4МБ (100 масс.ч.) + Cr2O3(1 масс.ч.); в - фторопласта-4МБ (100 масс.ч) + BN(0,3 масс.ч.).

Рисунок 2.8. Зависимость отношения интенсивности полос поглощения D780/D2365 от содержания модификатора: а - при содержании модификатора в композиции от 0 до 10 масс.ч; б - при содержании модификатора в композиции от 0 до 1 масс.ч.

Результаты ИК-спектроскопических исследований подтверждены данными дифференциального термического анализа образцов исходного и модифицированного фторопласта, как в виде пленок, так и порошков, который показал, что вследствие модификации происходит изменение соотношения кристаллической и аморфной фаз с образованием аморфизованной структуры, вероятно вследствие того, что образовавшиеся физические связи между частицами фторопласта и модификаторов в расплаве уменьшают подвижность молекул фторопласта и препятствуют его кристаллизации. В результате аморфизации остаточные напряжения в модифицированных покрытиях снижаются, что приводит к повышению адгезионного взаимодействия с алюминием.

При этом спектры, полученные методом МНПВО, идентичны и для исходных, и для модифицированных образцов.

Полученные данные можно интерпретировать следующим образом: - введение выбранных добавок приводит к некоторому снижению содержания кристаллической фазы в модифицированных покрытиях, что обеспечивает более высокую адгезионную прочность и физико-механические показатели по сравнению с исходным фторопластом из-за понижения уровня внутренних напряжений, возникающих при кристаллизации во время формирования покрытий; - структура очень тонких (менее 1 мкм) поверхностных слоев в модифицированных покрытиях остается аналогичной немодифицированным образцам, что обеспечивает антиадгезионные характеристики покрытия к продукту на уровне исходного фторопласта. Отсутствие модификаторов в поверхностном слое можно объяснить более медленным перемещением немодифицированного полимера в электростатическом поле при формировании покрытия на подложке.

Вероятность такого механизма формирования свойств покрытий подтверждается еще и тем, что наружная поверхность покрытий, как из исходных, так и из модифицированных фторопластов, имеет практически одинаковый коэффициент трения. Незначительная разница в показателях может быть отнесена за счет различной шероховатости поверхности (таблица 2.4).

Одним из важнейших факторов оценки качества полимерных покрытий является износостойкость. Исследовано влияние модифицирующих добавок на износостойкость покрытий при температурах от 200С до 150оС. Как следует из графиков, представленных на рисунках 9 и 10, износостойкость покрытий сильно различается, наименьшей стойкостью из всех исследованных образцов обладает исходный фторопласт. Вероятно, такая специфика поведения связана с тем, что по твердости фторопласты относятся к группе мягких пластмасс (по Бринеллю - 30ч40 МПа), а в результате равномерного распределения введенных модифицирующих добавок (рис. 6, 11), обладающих значительно более высокой твердостью, происходит повышение износостойкости.

Модификация существенно повышает стойкость композиций к износу. Наибольшей износостойкостью при 200С обладают покрытия на основе композиций 1, 2 и 4, наименьшей - покрытие на основе композиции 5 и исходный фторопласт-4 МБ. В интервале температур 20ч150оС исходная композиция характеризуется наибольшим износом, а наилучшие результаты демонстрировали композиции 1 и 2. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

а) Покрытия, модифицированные предложенными добавками, в любом случае - как при различном числе циклов воздействия, так и при разных температурах, превосходят исходное фторопластовое покрытие.

б) Оптимальным вариантом модификации по результатам испытаний следует признать композиции 1 и 2.

Для получения дополнительной информации о характере распределения модификаторов с помощью рентгеновского микроанализатора проведены электронно-микроскопические исследования модифицированных покрытий, обладающих наилучшими физико-механическими характеристиками. На рисунке 2.11 представлена микрофотография поперечного среза модифицированного покрытия, снятого с подложки, а также микрофотографии, отражающие распределение элементов, присутствующих в композиции, на данном участке образца. Число светлых точек на единице поверхности в поле микрофотографии пропорционально содержанию элемента на этом участке образца.

Анализ характеристического вторичного излучения при сканировании позволяет убедиться в наличии добавок в объеме покрытия в ожидаемых концентрациях и равномерном характере их распределения, что согласуется с данными зависимости средней интенсивности излучения от координаты точки сканирования (рис. 2.6).

Чтобы оценить работоспособность покрытий в условиях воздействия нагрузки при повышенных температурах провели исследования температурно-деформационных характеристик фторопластовых покрытий, снятых с подложки. Характерные результаты представлены на рисунке 2.12. Из графиков следует, что модифицированные фторопластовые покрытия благодаря меньшей степени кристалличности отличаются большей эластичностью, чем исходный полимер. Однако, при этом модифицированные образцы выдерживали большую нагрузку при повышенных температурах, чем немодифицированные, которые разрушались при нагрузке 200 гс уже при температуре 70-80 оС.

Рисунок 2.9. Зависимость износостойкости покрытий при 200С от числа циклов воздействия индентора.



Рисунок 2.10. Температурная зависимость износостойкости фторопластовых покрытий после 5 циклов воздействия индентора.

Преимущества модифицированных образцов очевидны, однако представляло интерес выяснить температурные изменения физико-механических характеристик покрытий, нанесенных на металлическую форму. Такие измерения позволяют охарактеризовать поведение покрытий в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы форм для выпечки. Использовали три типа нагружения: трехточечный изгиб, сжатие, растягивающее усилие. При всех типах нагрузки в интервале частот нагружения от 1 кГц до 33 кГц были получены аналогичные результаты. Характерные кривые представлены на рисунке 2.13.

Рисунок 2.11. а - электронная микрофотография поперечного среза образца свободной пленки модифицированной композиции; б - е - снимки вторичного рентгеновского излучения элементов композиции: б - углерода, в - бора, г - фтора; д - титана, е - хрома

По результатам исследований в широком интервале частот нагружения установлено, что значение модуля упругости исходной композиции при низких температурах выше, чем у модифицированных. Однако при нагреве значение модуля упругости у исходной композиции уменьшается быстрее, чем у модифицированных композиций. При температурах выше 100оС модифицированные покрытия уже имеют преимущество, при дальнейшем повышении температуры значение модуля стабилизируется и падает незначительно вплоть до 300 оС, что соответствует максимальной температуре эксплуатации форм с антиадгезионным термостойким покрытием и свидетельствует о возможности успешного использования их в процессах термической обработки (в частности, выпечки хлебобулочных и кондитерских продуктов).

В фундаментальных исследованиях Басина В.Е., Берлина А.А., Зимона А.Д., Гуля В.Е., Кулезнева В.Н., доказано, что прочность адгезионных соединений в значительной степени зависит от режимов их формирования. В данной работе изучена зависимость величины адгезионной прочности формируемых покрытий от температуры оплавления и времени термообработки покрытий.

В соответствии с предварительными данными, термообработку покрытий проводили при температурах от 290 до 3700С в течение 2ч6 часов.

Рисунок 2.12. Термомеханические кривые фторопластовых композиций.

Рисунок 2.13. Зависимость модуля упругости при трехточечном изгибе от температуры при частоте нагружения 10 кГц для покрытий на основе исходного фторопласта и модифицированных композиций: №1-100масс.ч. Фт4МБ + 1 масс.ч. Сr2O3; №2- 100масс.ч.Фт4МБ + 0,5 масс.ч.BN

Результаты испытаний адгезионной прочности представлены на рисунке 20. По вертикальной оси отложены значения адгезии, по горизонтальным осям отложены значения температуры (от 290 до 3700С) и времени ее воздействия (от 2 до 6 часов). Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: при увеличении времени контакта расплава модифицированной полимерной композиции с поверхностью металла от двух до четырех часов адгезионная прочность соединения возрастает, при контакте в течение шести часов - снижается; величина адгезионнойпрочности возрастает с ростом температуры оплавления полимера от 290 до 350 0С, скорее всего, за счет увеличения истинной площади контакта покрытия с подложкой, а после 350 0С значение ее падает, возможно, вследствие деструкции полимера; максимальная величина адгезионной прочности (около 20 МПа) модифицированных покрытий на основе фторопласта - 4МБ достигается при температуре 350 0С и времени оплавления 4 часа.

Рисунок 2.14. Зависимость адгезионной прочности модифицированного фторопластового покрытия от температуры и времени термообработки покрытий. Композиция -100 м.ч. Фт 4МБ + 1 м.ч. Cr2O3.

В результате математического моделирования были определены наиболее перспективные композиции с содержанием от 2 до 4 вышеуказанных модифицирующих добавок в пределах от 0,05 до 2 масс. ч. ( Составы композиций защищены патентом RU №2256681) Свойства данных композиций приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 .Свойства наиболее перспективных композиций, определенных в результате математического моделирования.

На основании этих экспериментов, я могу сделать следующие выводы:

1. Показано, что введение небольших количеств некоторых модифицирующих добавок - от 0,05 до 1-2 масс. частей на 100 масс. частей фторопласта-4МБ позволяет значительно повысить прочностные и адгезионные характеристики покрытий. Высказано предположение, что этот эффект в порошковых покрытиях аналогичен известному действию «легирующих добавок» на расплавы термопластов.

2. Выбраны наиболее перспективные модифицирующие добавки: нитрид бора, двуокись титана, дисульфид молибдена, окись хрома, дифенилсиландиол. Установлены оптимальные количества модифицирующих добавок в составе композиции с использованием методов математического анализа.

3. Выполнен комплекс исследований по изучению структурных характеристик фторопластовых покрытий с использованием сканирующей электронной микроскопии. Исследованы как поперечные срезы, так и поверхность покрытий, что позволило установить, что причиной улучшенных механических характеристик модифицированных покрытия является равномерное распределение их по объему, приводящее к гомогенизации структуры, формированию гладкой поверхности покрытий и бездефектной границы раздела «металл-покрытие».

4. Показано, что максимальная адгезионная прочность фторопластовых покрытий достигается в достаточно узком интервале значений параметров температуры и времени термообработки. При этом оптимальные области как для исходного фторопласта, так и для модифицированных композиций совпадают. Различия наблюдали только в величинах адгезионной прочности. Рекомендуемые значения - от 3,5 до 4,5 часов при температуре от 340 до 360°С.

5. Показаны преимущества модифицированных покрытий по сравнению с исходным фторопластовым покрытием при температурно-деформационных испытаниях и испытаниях на износостойкость в широком интервале температур. Модификация покрытий повышает износостойкость в 1,5-2 раза.

6. Методом ИК-спектроскопии установлено, что введение выбранных добавок приводит к снижению содержания u1082 кристаллической фазы в модифицированных покрытиях, что подтверждено методом дифференциального термического анализа. При этом химическая структура очень тонких поверхностных слоев (менее 1 мкм) модифицированных покрытий аналогична покрытию из исходного полимера. Это обеспечивает антиадгезионные свойства покрытия к продукту, аналогичные исходному фторопласту.

7. Предложен механизм формирования покрытий, заключающийся в образовании комплексов «модификатор-фторопласт», образующихся на стадии сухого смешения порошковых композиций. Компоненты комплекса связаны силами межмолекулярного взаимодействия, что затем, на стадии оплавления порошка снижает подвижность молекул фторопласта и препятствует его кристаллизации. Гомогенная аморфизированная структура покрытий является причиной снижения остаточных напряжений и улучшения комплекса физико-механических характеристик покрытий [23], [24], [25], [26] [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38].

2.8 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Стойкость деталей в результате коррозионно-эррозионного воздействия сред зависит, в первую очередь, от физико-химических свойств поверхностных слоев, в которых концентрируются наибольшее напряжение и развиваются процессы коррозии и износа.

Одним из эффективных методов повышения надежности и долговечности деталей оборудования молочной промышленности является нанесение износостойких покрытий из металлических порошков методом наплавки напыления, эмалирования и термодиффузионного припекания.

Для получения износостойких покрытий с наполнителями [39] используют следующие порошковые материалы: железный ПЖО, ПЖ1, ПЖ2, медный ПМ, ПМА, ПМС-1, никелевый ПНК, ПНЭ, ПН-1, ПН-2, свинцовый ПАС, ПС1, ПС2, наплавочный состав ПГ-С1, ПГ-УС25, графитовый ЭУТ, ГАК-2, УЭН, фторопластовый (фторопласт-4), фторид кальция, дисульфид молибдена МВ-41, МВ-42, МВ-43, феррохрома \УС; для вспомогательных добавок - стеарат цинка, хлорид аммония, борфторат аммония.

Из класса гальваностатических покрытий в качестве износостойких применяют хромовые покрытия. Так, для нанесения износо- и коррозионно-стойкого покрытия из стали Ст.З используется следующий состав (в г/л):

хромовый ангидрид260;

серная кислота2,5;

при температуре в ванне328-333 К;

плотность тока50-80 А/дм2;

выход по току10-15%. Толщина покрытия составляет 20-50 мкм [39].

Также может быть использован газовый метод хромирования. При этом используется смесь газов водорода и хлорида либо только хлорид водорода. Диффундирующим веществом служит хлорид хрома, получающийся в результате воздействия хлорида водорода на хром или феррохром при высокой температуре.

Для поверхностного упрочнения деталей машин, работающих в условиях эррозионно-коррозионного и абразивного износа, рекомендуется применять комплексное насыщение или боррирование, с соответствующим выбором материала основы.

Для насадок аппаратов можно применять упрочнение поверхности электролизным боррированием при 1173-1193 К (плотность тока 0,15 А/см2). В качестве основы предлагается малолегированная сталь типа ШХ15 [40].

Поверхности деталей машин можно упрочнять и другими способами боррирования, в частности, в засыпке из 84% карбида бора и 16% буры (с добавкой хлористого аммония, 1273-1373 К) или в вакууме, используя спеченные брикеты с геометрией контактной поверхности, идентичной поверхности насыщения детали (например, брикетированная втулка и деталь цилиндрической формы).

Алитирование. Поверхность стали марки Ст.З, используемой для изготовления деталей, которые работают в условиях интенсивного гидроабразивного износа, упрочняется алитированием при температуре 1223 К в засыпке: пудра алюминиевая - 40%, порошок глинозема - 58%, хлористый аммоний -2% с последующим азотированием при 803 К в аммиаке (30 ч.) [40].

Для повышения коррозионной стойкости конденсаторов, рабочих колес насосов широкое использование получило диффузионное хромирование покрытий.

В результате хромирования углеродистых сталей 45 и У8А при 1373-1423 К образуется карбидный слой (Сг, Ре)2зСб, под которым располагается нетравящийся эвтектоид. При температуре насыщения последний соответствует твердому раствору хрома и углерода в железе. Общая глубина диффузионного слоя - около 50 мкм, глубина карбидного слоя - 20 мкм.

Хромирование сталей 20 и 45 можно производить при температуре соответственно 1413-1433 К и 1323-1473 К в течение 16 часов (разрешение 10-2 мм рт.с.).

Для восстановления механических свойств изделий их подвергали термоупрочняющей обработке - нормализации от 1147 К, 1,5 - 2 ч. [40].

2.9 РАЗРАБОТКА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ КОРРОЗИИ И ИЗНАШИВАНИЯ

В хлебопекарной промышленности на основании систематического изучения изношенных деталей технологического оборудования, экспериментального исследования процессов, протекающих в поверхностных слоях металлов при трении в контакте с агрессивной средой, определение износостойкости наиболее распространенных, а также перспективных для изготовления деталей малогабаритного оборудования, материалов и натурных испытаний в производственных условиях, разработан ряд химико-технологических методов снижения коррозии и изнашивания.

Наиболее простым и экономичным способом борьбы с коррозией является также применение нейтрализаторов совместно с ингибиторами коррозии. Целесообразно использовать дополнительную ингибиторную защиту. Рекомендуется применять ингибиторы ИКБ-2-2, ТАЛ-3 в сочетании с нейтрализацией воды.

Контроль над выполнением химико-технологических мероприятий должен осуществляться службой коррозии завода и сотрудниками химических лабораторий [41].

Использование винипласта для футерования различных технологических емкостей, поверхности которых находятся в контакте с жидкими пищевыми средами.

2.10 РАЗРАБОТКА ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ СНИЖЕНИЯ КОРРОЗИИ

В хлебопекарной промышленности разработан ряд организационно-технических мероприятий снижения коррозии и изнашивания.

Все мероприятия по защите от коррозии должны быть контролируемы. Их состояние и эффективность в течение всего времени эксплуатации следует проверять в условиях, определяемых выбранными конструктором геометрическими формами объекта, его местоположением и устройством.

Все предусмотренные противокоррозионные мероприятия должны быть такими, чтобы ремонт или их повторное проведение были по возможности достаточно простыми при данном местоположении объекта и окружающих его условиях.

Предпочтительность замены всего объекта вместо повторного ремонта должна быть установлена на основании рабочих и экономических параметров объекта.

Чтобы избежать серьезных помех при обслуживании и ремонте, могут потребоваться коренные изменения идеи протектора; в особенности это относится к сложным по конструкции видам сооружений и оборудования в коррозионно-агрессивных средах.

К противокоррозионному обслуживанию должны предъявляться требования либо минимально возможного времени выполнения работ, либо проведения этих работ через максимально возможные промежутки времени.

Противокоррозионное обслуживание является частью общей планируемой программы обслуживания объекта при его эксплуатации; эта про грамма должна выполняться с наименьшими помехами для функционирования или использования объекта и одновременно с этим должна быть совместимой с характеристиками коррозионной стойкости.

Периодичность обслуживания должна соответствовать рабочим циклам и создавать минимально возможные неудобства во всех отношениях.

Необходимо принимать все возможные меры, чтобы снизить до минимума степень трудности и стоимости периодического обслуживания, включая демонтаж и последующую сборку сооружений и оборудования, очистку и подготовку поверхностей на месте, предохранительные меры.

Следует обеспечивать безопасность обслуживающего персонала.

Быстро корродирующие детали не должны размещаться в недоступных местах, внутри объекта, т.к. это заставляет обслуживающий персонал производить операции разборки.

Материалы и системы защиты необходимо выбирать с учетом свойственной им экономически обоснованной продолжительности сохранения стойкости к коррозии.

Противокоррозионное обслуживание следует регулировать таким образом, чтобы оно соответствовало решению проблем, возникающих при общетехнологическом обслуживании.

Доступность для осмотра должна быть увязана с выборочными контрольными операциями и методами разрушающих и неразрушающих испытаний.

Реально ожидаемый профессиональный уровень персонала, который будет заниматься обслуживанием при эксплуатации, определяет устанавливаемые эксплуатационные требования.

Рекомендуется применение модульных блоков, отвечающих требованиям защиты от коррозии [39].

Перед началом осуществления работ по текущему или капитальному ремонту работники отдела главного механика должны составить смету или дефектурную ведомость с расшифровкой видов работ.

Отчет по форме № 1-кор. подразделяется на три основных раздела:

1. Потери от коррозии металла и затрат на защиту основных фондов и готовой продукции.

Затраты на противокоррозионную защиту основных фондов и готовой продукции.

Расход материалов на противокоррозионную защиту.

Потери подразделяются на прямые и косвенные. К прямым относятся затраты на осуществление текущего и капитального ремонта в связи с коррозией, недоамартизированная стоимость основных фондов, списанных из-за коррозии металла, и потери от коррозии материалов, полуфабрикатов, запасных частей, изделий и др. деталей, не учитываемых при текущем и капитальном ремонте.

Служба отдела главного механика определяет долю коррозии по содержанию осуществляемых работ при ремонте на основании дефектной ведомости или сметы. Потери от коррозии материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий, готовой продукции в результате наблюдения требований условий хранения, транспортировки, устанавливают на основании актов о списании материалов, где указывают причины списания.

Потери от брака и снижения сорта продукции по причине коррозии основных фондов, устанавливают на основании актов и распоряжений лабораторий предприятий, где указана причина снижения сорта или брака.

В затраты на противокоррозионную защиту основных фондов и готовой продукции входят затраты на приобретение и монтаж оборудования для защиты основных фондов и готовой продукции. В отчете также приводятся сведения об использовании противокоррозионных материалов как во время текущего и капитального ремонта, так и в процессе эксплуатации основных фондов.

После составления отчета противокоррозионная служба предприятия должна проанализировать основные показатели отчета, установить основные источники потерь от коррозии, эффективность средств и методов противокоррозионной защиты. На основании данных анализа за отчетный год антикоррозионная служба предприятий должна разработать план мероприятий на планируемый год по снижению потерь от коррозии и применению прогрессивных методов защиты [42].

2.11 РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ РАЦИОНАЛЬНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ

Проектирование - важнейший этап "жизненного цикла" оборудования, на котором закладываются его основные параметры, обеспечивающие надежную и стабильную работу. Достижение этих параметров связано с определенными затратами, влияющими на срок окупаемости и другие экономические показатели, отражающиеся на эффективности функционирования оборудования. Поэтому необходимо создавать такие конструкции оборудования, при которых обеспечивается максимальная эффективность его функционирования в течении всего "жизненного цикла" с учетом оптимального соотношения затрат на проектирование и изготовление, с одной стороны, техническое обслуживание, ремонт (ТОиР) и эксплуатацию - с другой. Определяющим условием достижения высокой эффективности функционирования является необходимый уровень базовой и эксплуатационной надежности оборудования. Обеспечение надежности в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации связано с тремя основными видами затрат на всех этапах его "жизненного цикла": затраты на проектирование и изготовление; модернизацию; техническое обслуживание и ремонт [43].Теоретически можно достигнуть неограниченно большой надежности оборудования. Однако в этом случае общие затраты на ее достижение могут оказаться настолько большими, что в итоге снизят эффективность функционирования до неприемлемого уровня.

На рисунке 2.15 показано изменение составляющих общих затрат в зависимости от заданной величены надежности. Кривая 1, характеризующая затраты на проектирование и изготовление оборудования, показывает, что с увеличением надежности эти затраты возрастают, причем наиболее резкий рост наблюдается, начиная с величины надежности, равной 0,75 - 0,80. Затраты на ТОиР (кривая 2) с увеличением надежности сокращаются и стремятся к нулю при достижении надежности, равной 1,0. Затраты на модернизацию оборудования (кривая 3) уменьшаются с увеличением надежности. Общие затраты (кривая 4) на достижение заданной надежности равны сумме указанных составляющих затрат. Кривая 5, характеризует общие затраты без учета затрат на модернизацию. Кривые 4 и 5 имеют характерный минимум, который соответствует оптимальной надежности, обеспечивающей эффективное функционирование оборудования. Однако в случае, когда базовая надежность недостаточна и для достижения требуемой эксплуатационной надежности необходима модернизация оборудования, общие затраты и оптимальный уровень эксплуатационной надежности, требуемые для поддержания эффективного функционирования, оказываются выше. В этом случае оптимальный уровень эксплуатационной надежности составляет 90% против 70%, когда потребность в модернизации отсутствует. Так как базовая надежность конструкции выбирается с учетом суммарной экономичности, то из приведенного сравнения можно сделать вывод, что целесообразно увеличить расходы на проектирование и изготовление оборудования с целью сокращения затрат на последующую модернизацию. В этом случае, во-первых, общие затраты уменьшаются на 20 - 40%, во-вторых, требуемый уровень надежности, при котором обеспечивается необходимый уровень эффективности функционирования оборудования, может быть на 15 - 20% меньше уровня при низкой стоимости проектирования и изготовления и необходимости модернизации.

Рисунок 2.15. - Изменение составляющих общих затрат в зависимости от заданной величины надежности.

Для иллюстрации влияния стоимости проектирования и изготовления на общие затраты на рисунке 3 проведены три вертикали (I, II, III), соответствующие различным конструкциям машины, предназначенной для выполнения одинаковых функций. Конструкция I характеризуется низкой стоимостью проектирования и изготовления, однако вследствие больших затрат на техническое обслуживание и ремонты, вызванные низкой базовой надежностью, общие затраты оказываются выше, чем у конструкций II и III с более высокой базовой надежностью. Оптимальной является конструкция II, обеспечивающая минимальные общие затраты. Конструкция III не экономична, не смотря на высокий уровень базовой надежности. Минимум общих затрат главным образом определяет так называемый эффективный уровень капиталовложений. Бурное развитие промышленности в последние годы и связанное с ним увеличение затрат на производство требует анализа эффективности капиталовложений при создании новых конструкций и оборудования. Сущность этого анализа заключается в принятии такого конструктивного решения, при котором обеспечивается получение максимальной эффективности от общей суммы затрат на проектирование, изготовление, ТОиР за весь срок службы оборудования. Анализ эффективности капиталовложений позволяет принять такие решения, при которых ограниченные ресурсы используются наилучшим образом. Необходимость такого анализа обусловлена усложнением оборудования, повышением стоимости его изготовления и требований к его качеству; ускорением темпов замены действующего оборудования новым, более производительным, то есть сокращением срока наступления морального износа; высокой стоимостью исследований и разработок; возрастанием стоимости энергии и сырья и некоторыми другими факторами. Кроме анализа общих затрат на изготовление и эксплуатацию отдельных видов оборудования, анализ эффективности капиталовложений учитывает также общие затраты на эксплуатацию агрегатом, в который оно входит. Это позволяет обеспечить такую надежность отдельных видов проектируемого оборудования, при которой достигается требуемый уровень надежности агрегата.

Анализ эффективности капиталовложений учитывает технический уровень технологии и стоимость изготовления, технического обслуживания и ремонта (надежность), эксплуатации (рациональность конструкции и стоимость выпускаемой продукции) и другие факторы, поэтому в проведении анализа должны участвовать и конструкторы, и эксплуатационники. Очевидно, назрела необходимость создания при крупных промышленных предприятиях специальных групп экономического обеспечения проектирования, состоящих из высококвалифицированных инженеров, прошедших специальный курс экономической подготовки. Это, в конечном счете, поможет обеспечить создание высоконадежных конструкций оборудования и максимальную эффективность капиталовложений.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ

Качество проектирования, определяемое главным образом соответствием оборудования требованиям выполняемого технологического процесса и необходимым уровнем базовой надежности, во многом зависит от правильного понимания структуры агрегатов, знания особенностей и условий их эксплуатации, а также устройств и элементов, из которых они состоят.

Агрегат представляет собой систему (комплекс) взаимосвязанных технологическим процессом устройств, обеспечивающих выпуск продукции. Эта взаимосвязь может выражаться в электрических или механических связях, в транспортных потоках жидких материалов или сырья. [43].

Процесс проектирования можно разделить на три основных этапа:

Разработка общей схемы и структуры агрегата.

Разработка конструкций механического оборудования, технологических аппаратов и установок.

Проектирование передаточных устройств.

На первом этапе разработку общей схемы агрегата необходимо начинать с выбора технологического процесса и определения последовательности технологических операций. На основании выбранной последовательности операций следует разрабатывать схематический план расположения установок и оборудования (эскизный проект), выбирать их тип и определять основные параметры - размеры, мощность, производительность и т.д. Затем следует преступить непосредственно к разработке конструкций оборудования, технологических аппаратов, установок и передаточных устройств. После завершения проектирования отдельных устройств необходимо создать окончательные рабочие чертежи плана расположения установок и оборудования.

При разработке общей схемы агрегата, как правило, возможно несколько вариантов ее осуществления, обеспечивающих эквивалентные технологические решения. Поэтому для обеспечения максимальной надежности агрегата необходимо на этом этапе выбрать такой вариант, при котором условия работы оборудования будут наилучшими. Следует отметить, что этот этап не требует больших затрат; при принятии правильного технологического решения создается возможность обеспечить надежность без больших затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт.Вопрос о выборе технологической схемы агрегата следует рассматривать обязательно с учетом особенностей эксплуатации, т.е. проанализировать условия эксплуатации оборудования при заданном технологическом процессе, и влияние предшествующих процессов на его работу.

Таким образом, одним из эффективных направлений решения проблемы надежности на первом этапе проектирования является совершенствование организации технологических процессов - как предшествующих, так и осуществляемого данным агрегатом. Наряду с этим следует учитывать, что если изменение технологического процесса связано с большими затратами, не компенсируемыми улучшением функционирования оборудования и сокращением затрат на ТОиР, оно нецелесообразно.

На втором этапе проектирования необходимо прежде всего выбрать такие конструкции оборудования, аппаратов и установок, чтобы основные требования, предъявляемые к ним, достигались наиболее экономичным, надежным и простым способом. Большое внимание должно быть уделено выбору оптимальных конструкций отдельных деталей и узлов и тщательной разработке детальных чертежей, так как именно на этой завершающей стадии проектирования и происходит обычно наибольшее число ошибок.

При проектировании механического оборудования необходимо учитывать характер разрушений, которые в основном можно разделить на два вида:

аварийное, связанное с опасностью для персонала, простоями и последующими потерями производства, вызываемое большими перегрузками вследствие нарушения технологической дисциплины, избыточными вибрациями или несоответствием конструкции назначению. Этому разрушению подвергаются, как правило, незначительно изношенные детали, момент разрушения которых почти невозможно предсказать заранее. В таком случае обычно не удается быстро ликвидировать неисправность и необходим дорогостоящий восстановительный ремонт;

постепенное, возникающее вследствие износа, коррозии, ползучести, пластической деформации, усталости и т.д.

Такое разрушение может быть обнаружено до аварийной поломки. Для его ликвидации принимают соответствующие меры по ремонту или замене узла в процессе работы агрегата или во время запланированной остановки на ремонт. В связи с этим на втором этапе, кроме обеспечения соответствия оборудования технологическому назначению, необходимо предусматривать создание таких конструкций, при которых исключается возможность аварийного разрушения. Для этого в конструкцию оборудования включают различные устройства для защиты от перегрузок, а также отключающих и сигнализирующих устройств и т.д. Предупреждение постепенного разрушения достигается в основном различными методами упрочнения, улучшением условий смазки и т.д. Если применение таких методов невозможно или оказывается дорогостоящим, то следует предусматривать максимальную ремонтопригодность быстро изнашиваемых узлов и деталей для их быстрой замены. В некоторых случаях необходимо резервировать дополнительное количество узлов и деталей, вероятность выхода из строя которых велика. Однако это связано с увеличением капитальных затрат и целесообразно лишь, когда другие методы предупреждения разрушений не дают положительных результатов.

Эффективным способом предупреждения наступления критического состояния узлов и деталей является непрерывный контроль их состояния в процессе эксплуатации, осуществляемый с помощью различных приборов и устройств для измерения вибрации и температуры, загрязнения и изменения физико-химических свойств смазок и др. Одним из необходимых принципов проектирования на втором этапе является применение в проекте известных или новых приспособлений и устройств для инспектирования и обслуживания оборудования. На этом этапе также необходимо выполнить анализ возможных и особенно трудоемких и опасных ремонтных работ и предусматривают максимальную унификацию основных узлов и деталей и другие мероприятия, способствующие достижению высокой базовой надежности.

Разрушение технологических аппаратов и установок, в отличие от разрушений механического оборудования, носит иной характер и наступает вследствие коррозии, эрозии, износа футеровки, нарушение герметичности, перегрева или избыточного давления. Поэтому надежность этих устройств при проектировании следует повышать рациональным выбором материалов, резервированием установок, применением блокировок и различных сигнализирующих приспособлений. Предохранительные устройства на системах, транспортирующих жидкости и газы, позволяет точнее контролировать параметры установок. Так как разрушения вспомогательного оборудования металлоконструкций обычно происходит вследствие взаимодействия с механическим оборудованием, например, при больших вибрациях, то и проектирование их обычно необходимо осуществлять одновременно.

На третьем этапе, разрабатывая передаточные устройства, прежде всего необходимо устанавливать принципиальную схему и выбирать соответствующее гидравлическое, транспортное и другое оборудование и аппаратуру. Это следует выполнять одновременно с проектированием механического оборудования, связанного с устройствами, поддерживая тесную связь между соответствующими конструкторскими подразделениями. Как и на втором этапе, следует анализировать условия работы передаточных устройств и предусматривать меры по обеспечению их надежности. При этом, как и при проектировании механического оборудования, необходимо учитывать особенности разрушения передаточных устройств, которое можно разделить на два основных типа:

механическое, вызываемое избыточным давлением, утечками и загрязнением энергоносителя, приводящими к быстрому выходу из строя элементов устройств; такие отказы часто вызывают аварийную остановку связанного механического оборудования или даже всего агрегата;

постепенное, происходящее вследствие износа и обычно сопровождаемое утечками энергоноситель через образовавшиеся неплотности и снижением скорости и мощности гидро- или пневмоприводов; это разрушение довольно часто остается незамеченным при режимах, не достигающих критических.

Основным средством борьбы с разрушением первого типа является применение быстродействующих приборов обнаружения мест разрушения. Для этого предусматривают контрольные точки для замера давлений, расходов, температуры и соответствующую контрольную и регулирующую аппаратуру. Определением контрольных точек и аппаратуры значительно упрощается, если в соответствии с технологическим назначением предварительно правильно выбрано оборудование передаточных устройств. Разрушение второго типа (прогрессирующее) можно легко обнаружить контролем параметров основных элементов передаточных устройств, например, скорости перемещения и усилия на плунжере гидропривода. Для этого в проекте предусматривают соответствующую аппаратуру.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ

Достижение высокой техногенной безопасности оборудования обеспечивается контролем базовой надежности и применением различных методов конструирования, а также учетом факторов инженерной психологии, обеспечивающих в конечном итоге максимальную надежность системы человек-машина [43].

Контроль надежности включает три основные стадии:

Первая стадия - предварительный сравнительный анализ надежности различных вариантов конструкции, в результате которого выбирают окончательный вариант.

Вторая стадия - анализ надежности окончательного варианта конструкции оборудования.

Третья стадия - испытание опытного образца оборудования и сравнение данных испытаний с результатами контроля надежности на второй стадии для установления соответствия расчетной и базовой надежности, определенной на основании испытаний.

Одним из методов повышения надежности при отсутствии ограничений в массе, объеме и стоимости конструкции является создание больших запасов прочности. Для оборудования запасы прочности могут достигать десятикратных. К методам достижения высокой надежности относятся упрощение и стандартизация элементов оборудования. Уменьшение числа деталей или различных типов используемых деталей всегда способствует повышению надежности. Стандартные детали и узлы, отработанные в процессе эксплуатации на других видах оборудования, обычно характеризуются высокой вероятностью безотказной работы. Конструкция оборудования должна быть такой, чтобы неправильная сборка или неверное его использование были невозможными или, по крайней мере, затруднительными, что, в свою очередь, делает невозможными аварии по этой причине. Если предусмотрена замена узла, то следует предусмотреть также необходимые для этого средства и использование персонала по возможности более низкой квалификации [43].Для повышения надежности важно, чтобы в проекте учитывалось проведение различных испытаний конструкции на заводе изготовителе и в производственных условиях. Конструктор должен так выбирать принцип действия, схему оборудования и его узлов, чтобы они могли быть подвергнуты полным неразрушающим функциональным испытаниям. Нужно также предусмотреть возможность контроля основных размеров конструкции, точности обработки поверхностей и других параметров, ухудшающихся в процессе эксплуатации, а для узлов одноразового пользования (подшипники качения, уплотнения и т.д.), проверка которых затруднена, заведомо более высокую надежность [44]. Если конструкция требует применения специальных технологических процессов или методов изготовления, это четко отражается в чертежах и технических условиях, содержащих, кроме того, сведения относительно организации системы контроля процессов и качества изготовления. Опыт показывает, что во многих случаях пренебрежительное отношение к свойствам оборудования, достижение которых в процессе изготовления сопряжено с большими сложностями, является источником его отказа в процессе эксплуатации [45]. Важным методом, используемым для достижения высокой надежности, является резервирование. Один из методов резервирования заключается в применении дублирующих устройств, установленных в потоке параллельно. Поскольку при таком методе необходимо увеличить количество оборудования и пространство для его установки, конструкторы стремятся по возможности уменьшить его массу и габариты. Это иногда приводит к тому, что надежность резервируемой системы оказывается ниже, чем не резервируемой. В этих условиях целесообразно отказаться от резервирования и стремиться усилить устройства, защищающие оборудование от воздействия отрицательных факторов. И наконец, так как резервирование всегда связано с увеличением стоимости оборудования, а также расходов на его техническое обслуживание, учитывая, что эти показатели являются весьма высокими, применение этого метода обязательно должно сопровождаться экономическим анализом резервированной и нерезервированной конструкций за весь период "жизненного цикла" оборудования.

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

К решению задач техногенной безопасности предложены следующие комплексные критерии, имеющие вероятностный характер:

Критерий потенциала опасности (P).

Критерий состояния (Q).

Критерий потенциала опасности является функциональной величиной, в который входит ряд параметров (энергетический потенциал, токсичность, химический потенциал и др.). Основными показателями опасного объекта является энергия и параметры, производные от нее, такие как мощность, поток энергии, энергоемкость и т.д.

Критерий состояния также является функциональной величиной, в которую входят ряд параметров (вероятность отказа объекта, наработка на отказ, влияние расположения объекта в пространстве и др.), которые в основном определяются путем применения теории вероятности.

Один из важных вопросов в решении проблемы техногенной безопасности - это правильно оценить потенциал опасности и вероятность реализации этой опасности.

Таким образом, уровень техногенной опасности (U) объекта можно представить в виде выражения:

,

где P - критерий потенциала опасности; Q - критерий состояния объекта (вероятность реализации потенциала опасности).

Очевидно, что общий уровень техногенной опасности технологического комплекса будет представлен выражением:

,

где Ui - уровень техногенной опасности по какому-либо i-тому нормируемому показателю; n - количество нормируемых показателей для данной категории объектов.

Поскольку критерии P и Q являются комплексными, то их анализ для единичного объекта или технологического комплекса на основе большого объема реальных данных позволит научно обосновать систему эффективных мероприятий, направленных на обеспечение необходимого уровня техногенной безопасности на стадии проектирования по двум основным направлениям: снижение потенциала опасности и уменьшение вероятности его реализации.

2.12 ВЫБОР ЭФФЕКТИВНЫХ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ

Снижение коррозионной активности среды может быть осуществлено

двумя способами:

- удалением из агрессивной среды компонентов, вызывающих коррозию металлов;

- введением в агрессивную среду специальных веществ, которые вызывают значительное снижение скорости коррозионного процесса. Такие

вещества называют замедлителями, или ингибиторами, коррозии[47].

Обработка коррозионной среды для снижения ее агрессивности осуществляется уменьшением в ней содержания деполяризатора. В растворах электролитов это достигается путем снижения содержания ионов водорода или удаления кислорода. В кислых растворах, вызывающих коррозию с водородной деполяризацией, повышают рН раствора, т.е. уменьшают концентрацию ионов водорода. В нейтральных растворах, вызывающих коррозию с кислородной деполяризацией, снижают содержание кислорода в электролите химическим, термическим, десорбционным способами. При нагревании воды или раствора электролита вследствие уменьшения растворимости кислорода происходит его удаление из агрессивной среды. Пропускание через раствор инертного газа также способствует снижению содержания кислорода в растворе. При химической обработке воды в нее добавляют восстановители, которые связывают растворённый кислород. К таким восстановителям относятся гидразин, сульфит натрия и др.

N2H4?H2O + O2 = N2 + 3H2O; (2.1)

2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4. (2.2)

Удалить кислород из воды можно также пропусканием ее через слои железных стружек. При этом при температуре около 85°С происходит окисление железа, в результате чего кислород связывается

3Fe + 2O2 = Fe3O4. (2.3)

Уменьшение агрессивности газовой среды сводится к изменению ее состава и созданию атмосферы, исключающей термодинамическую возможность протекания химической реакции взаимодействия металла с компонентами газовой среды.

При воздействии на железоуглеродистые стали газов, содержащих окислители, кислород и его соединения, при высоких температурах на поверхности металла происходит реакция между цементитом и этими газами

Fe3C + O2 = 3Fe + CO2. (2.4)

В результате этой реакции поверхностный слой обедняется углеродом. Обезуглероживание ведет к изменению механических свойств: уменьшается поверхностная твердость и понижается предел усталости. При наличии водорода в газовой среде при высоких температурах и давлении наблюдается

коррозия, которая резко снижает механические свойства конструкционных железоуглеродистых сталей.

Для снижения агрессивности среды в нее вводят компоненты, которые не вызывают окисления, обезуглероживания и наводороживания. Расчет состава защитной атмосферы для металлов и сплавов проводят с использованиемконстант равновесия, устанавливающихся в системе металл-газ. Для создания защитных атмосфер разработано несколько газовых смесей:

-- водород-водяной пар-азот;

-- водород-водяной пар-оксид углерода-азот;

-- водород-водяной пар-азот-оксид углерода-диоксид углерода;

-- азот-оксид углерода-водород.

В ряде случаев термическую обработку нержавеющих сталей проводят в вакууме или в атмосфере аргона.

Для снижения скорости атмосферной коррозии металла изделия помещают в герметичные чехлы из полиэтиленовой пленки, внутри которых создают атмосферу с относительной влажностью воздуха ниже критической (60%) за счет применения осушителей (силикагель). В искусственно созданной сухой атмосфере коррозионные процессы протекают очень медленно [47].

Характеристика ингибиторов

Замедлителями, или ингибиторами, коррозии называют вещества, введение небольших количеств которых в коррозионную среду значительно снижает скорость коррозии.

Уменьшение электрохимической коррозии при введении замедлителя может произойти вследствие торможения анодного или катодного процесса, воздействия на оба процесса или увеличения сопротивления системы при образовании на металлической поверхности пленки, обладающей пониженной электропроводностью.