• 1.5 Основные требования к защитным покрытиям

эмаль силикатный покрытие

· покрытие должно быть сплошным и беспористым;

· обладать химической устойчивостью и долговечностью;

· иметь хорошую адгезию к металлу;

· предотвращать отложения различных продуктов;

· защищать металл от коррозии;

· уменьшать гидравлическое сопротивление при движении продуктов транспортировки.

• 2. История

Силикатная эмаль - затвердевшая, преимущественно стеклообразная, из оксидов, неорганическая масса, основой которой является кремнезем. Эта эмаль одним или несколькими слоями наплавляется на металлическое изделие, например, на стальные трубы и фасонные изделия. Когда говорят о качествах и свойствах стекла, нельзя забывать об одном из важнейших его достоинств - способности сохраняться без разрушений в течение многих тысячелетий.

Археологические раскопки подтверждают, что наиболее древние стекла и покрытия из них, изготовленные человеком и найденные до настоящего времени, имеют пятитысячелетний возраст. Если же обратиться к тектитам - к их космическим сородичам, образовавшимся в природе без участия человека - то они насчитывают несколько десятков миллионов лет, сохранились в земле, практически без повреждения, по меньшей мере, со времен палеолита, т. е. в течение 25 тыс. лет. Поскольку основой создания силикатных покрытий являются природные силикаты и другие минералы, вопрос о количественных соотношениях элементов в пределах земной коры (толщина коры земли составляет 16 км) представляет практический интерес. Так, известно, что элементы: кремнезем, алюминий, железо, кобальт, никель, натрий, магний, литий, калий и др. - составляют 98 % массы земной коры и являются основой для применения в силикатной промышленности. Имеются неограниченные запасы этих нерудных месторождений.

В 1949 году инженером Е.Н. Подклетновым было получено авторское свидетельство на изобретение - способ эмалирования труб с использованием для обжига покрытия метода нагрева труб в электромагнитном поле индуктора. С этого времени в России впервые в мире начала разрабатываться технология эмалирования труб на станках-автоматах с использованием индукционного обжига покрытий.

В 1961 году во ВНИИСТе была создана лаборатория эмалирования труб, а в 1960 - 1970 гг. на опытно-промышленной базе (ст. Львовская Московской области) проведены работы по индукционному эмалированию опытных партий с внутренним и наружным покрытием. В 1980 году в Пензе объединением Пензаводпром впервые в мире была создана технология двухстороннего эмалирования труб с использованием метода нагрева в электромагнитном поле индуктора (профессор Сиротинский А.А.).

Под руководством профессора Сиротинского А.А. во ВНИИСТе была разработана и продолжала непрерывно совершенствоваться технология индукционного эмалирования труб различных диаметров с применением электрических токов промышленной частоты. Наряду с усовершенствованием индукционного способа эмалирования труб разрабатывались новые составы эмалей, отличительной особенностью которых является оплавление их при относительно невысоких температурах, что дает экономию электроэнергии.

Метод индукционного эмалирования отмечен в 1990 г. премией Совета Министров СССР, а в 1991 г. на XIX Международном салоне по новейшим технологиям в Женеве - золотой медалью.

• 3. Классификация

1. Грунтовые (ЭСГ), предназначены для нанесения на стальную поверхность

2. Покровные (ЭСП), предназначены для нанесения на поверхность, покрытую грунтовой эмалью

3. Бортовые (ЭСБ), предназначены для нанесения на поверхность, покрытую покровной эмалью с радиусом закругления менее 10мм

• 4. Химические и физико-химические свойства

Для правильной и полной оценки материалов при их изготовлении, выборе и эксплуатации в конструкциях необходимо знать и учитывать их химические и физико-химические свойства. Химические свойства выражают степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и способность сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды.

Некоторые материалы склонны к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в обычной среде.

Ряд материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, водой, щелочами, растворами, агрессивными газами и т.д. Химические превращения протекают также при технологических процессах производства и применения материалов.

Медленное или быстрое изменение структуры материала под влиянием внешней агрессивной среды называют коррозией. Она бывает химическая, электрохимическая, биологическая.

По физико-механическим характеристикам пленок (твердости, эластичности) и защитным свойствам эмали превосходят масляные и вододисперсионные краски. Эмали, содержащие, как правило, большое количество пленкообразователя (синтетического лака) и малое количество наполнителя, обладают повышенной декоративностью.

• 4.1 Химическая стойкость

Химическая стойкость - свойство лакокрасочного покрытия, характеризующее способность противостоять воздействию агрессивных химических агентов: минеральные и органические кислоты, а также их растворы в воде; растворы щелочей; растворы солей, оказывающие сильное окислительное или восстанавливающее действие; органические растворители и горюче-смазочные материалы.

Химическая стойкость -- свойство материалов противостоять разрушающему действию химических реагентов -- кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов. Она зависит от состава и структуры материалов. Так, мрамор, известняки, цементный камень в строительных растворах и бетонах, в химическом составе которых преобладает оксид кальция (СаО), легко разрушаются кислотами, но стойки к действию щелочей. Силикатные материалы, содержащие в основном диоксид кремния (ЗЮа), стойки к действию кислот, но взаимодействуют при повышенной и нормальной температуре со щелочами.

Воздействие агрессивных материалов на лакокрасочную пленку связано с химическим взаимодействием реактивов с полимером либо пигментом, что приводит к необратимому разрушению лакокрасочного покрытия.

Химическая стойкость покрытия на основе ЛКМ определяется соответственно ГОСТов, и оценивается в баллах; чем выше балл, тем выше химическая стойкость материала к воздействию химических реактивов.

• 5. Применение

Экономический эффект от применения различных перечисленных ранее покрытий определяется не столько стоимостью их изготовления, сколько сроком службы.

В этом случае силикатно-эмалевым покрытиям нашли широкое применение при сооружении промысловых нефтяных трубопроводов, трубопроводов, транспортирующих высокоагрессивные среды в химической промышленности, при строительстве теплотрасс, топливопроводов для перекачки авиационного горючего в аэропортах, при перекачке едких стоков животноводческих ферм и в других отраслях, где органические или металлические покрытия непригодны.

Для нанесения эмали используют различные способы: окрашивание погружением, обливом, пульверизатором и даже электростатику. После сушки эмаль обжигают (сплавляют) при температурах от 750 до 950 градусов.

Применяют эмаль с целью удешевления производства, т.к. для достижения такой же химической стойкости необходимо использовать весьма дорогостоящие сплавы, в случае же применения эмалевых покрытий допустимо использовать обычное железо. При этом химическая стойкость готового изделия в большинстве случаев даже возрастёт.

Силикатно-эмалевые покрытия прошли гигиенические испытания на предмет использования их для строительства трубопроводов горячего, холодного и питьевого водоснабжения.

Проведенными технико-экономическими расчетами установлено, что затраты при нанесении внутреннего силикатно-эмалевого покрытия окупаются в течение 1,5-2 лет.

Силикатно-эмалевое покрытие труб соответствует требованиям ГОСТа Р 51164-98, СНиП 2.05.06-85, РД 153-34.0-20.158-2003 и выполняется по ТУ 1390-001-01297858-96, оно соответствует требованиям ГОСТ Р ИСО 9001-2001, лицензировано Гостехнадзором РФ.

Таким образом, применение силикатно-эмалевого покрытия практически решает проблемы, связанные с коррозионным разрушением металлических труб, и способствует решению экологических проблем, возникающих при повреждении нефтепроводов.

Силикатные покрытия (эмали и стекла) обладают универсальными свойствами, доступны и для их нанесения не требуется больших энергозатрат, поэтому область применения этих покрытий расширяется. Трубы с силикатными покрытиями являются серьезным резервом снижения расхода труб из высоколегированных сталей, так как их стойкость в 4...5 раз выше, чем труб из сталей типа 12Х18Н10Т. Необходимо отметить, что материалы, идущие на изготовление эмалей и стекла, недефицитны (кварцевый песок, полевой шпат, бура, сода и др.). Помимо антикоррозионных свойств такие покрытия имеют пониженную шероховатость, что способствуют снижению гидравлических потерь и повышению пропускной способности трубопроводов на 20...30%. Использование стеклоэмалевых покрытий толщиной 450...500 мкм на трубах для теплотрасс одновременно с увеличением срока службы в 5...6 раз позволяет снизить расход металла на 30-40 % вследствие снижения толщины стенки труб.

Особенно эффективно применение труб с эмалевым покрытием в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Потребление одной тонны эмалированных труб равноценно потреблению почти 3 т труб из коррозионностойких сталей. При воздействии растворов солей некоторых органических кислот эмалевые покрытия устойчивы до температуры 300...400 град. С., а в газовой фазе - до 450...700 град. С.

Для защиты от коррозии перспективно использование эмалированных труб для систем горячего водоснабжения, газонефтепроводов, труб нефтяного сортамента, а стеклянных покрытий труб - для технологических трубопроводов, например в пищевой промышленности.

Производство эмалированных труб (их длина 6 м и более) усложняется недоступностью их внутренней поверхности для непосредственного визуального контроля и устранения местных дефектов эмалевого покрытия.

Трубы с силикатно-эмалевым покрытием используются для транспортировки обводненной нефти, содержащей высокий процент сероводорода, для закачки в нефтяной пласт высокоминерализованной воды и различных химических реагентов, увеличивающих нефте отдачу пласта, для обустройства системы пожаротушения на действующих нефтяных скважинах.

• 5.1 Применение внутренних защитных покрытий

Для предохранения внутренней поверхности труб от коррозии применяют различные виды покрытий: цементно-песчаные, полиэтиленовые, металлические, полимерные, силикатно-эмалевые и др.

Экономический эффект от применения различных покрытий определяется не только стоимостью изготовления, но главным образом сроком их службы. Антикоррозионные свойства защитного покрытия, определяющие его срок службы, проявляются при воздействии на него агрессивной среды в процессе эксплуатации.

Использование труб, например, с внутренним полиэтиленовым покрытием сопряжено с трудностями вследствие их относительно низких механических свойств, в особенности при повышенных температурах эксплуатации. Предел прочности полиэтилена на разрыв понижается в два раза, предел текучести - в три раза, модуль упругости при растяжении - в 2,5 раза.

При этом коэффициент термического расширения (К.Т.Р.) органических покрытий отличен от К.Т.Р. металла, и при незначительных изменениях теплового режима эксплуатации труб органическое покрытие растрескивается и нарушается адгезия металла с покрытиями. К недостаткам следует отнести и низкое сопротивление износу.

Иными словами, органические покрытия - это защитные покрытия относительно кратковременного действия. Из труб с защитными металлическими покрытиями трубной промышленностью выпускаются оцинкованные трубы, получаемые в расплаве цинка с добавкой 0,10-0,12 % алюминия, и алюминированные трубы, получаемые в расплаве алюминия. Проведенные исследования во ВНИТИ (бывшего Союза) г. Днепропетровска показали, что металлические покрытия увеличивают срок службы трубопроводов при перекачке холодной и горячей воды.

Однако при перекачке воды, которая имеет повышенное содержание хлоридов и сульфатов, коррозия таких покрытий протекает очень интенсивно, и их применение в этих условиях оказывается нецелесообразно. На водах горячего водоснабжения в Москве потери покрытия в год при общей толщине 55-80 мкм составляют 25-30 мкм в год, т.е. через два-три года покрытие полностью исчезает. Из рассмотренных видов покрытий внутренние силикатно-эмалевые покрытия не имеют негативных явлений, а их применение в промышленных условиях, например, на нефтепроводах, теплопроводах и в сетях горячего водоснабжения позволит:

· увеличить срок службы трубопроводов за счет сокращения отказов трубопроводов от внутренней коррозии;

· снизить затраты на ликвидацию порывов на трубопроводах;

· сократить затраты на профилактические обработки;

· экономить затраты за счет сокращения капитальных ремонтов трубопроводов;

· использовать при транспортировке трубы меньшего диаметра;

· экономить электроэнергию за счет снижения мощности насосных агрегатов.

Ожидаемый технологический эффект от применения труб с внутренним силикатно-эмалевым покрытием даст возможность:

· увеличить срок службы трубопроводов;

· полностью устранить прорывы трубопроводов от коррозии.

Кроме того, надо учитывать следующие статьи экономии:

· увеличение объемов продуктов транспортировки за счет устранения коррозионных отложений на внутренней поверхности трубопроводов;

· снижение металлоемкости оборудования;

снижение энергетических затрат за счет уменьшения гидравлического сопротивления при использовании внутренних силикатно-эмалевых покрытий.

• 5.2 Преимущества

Трубы и соединительные детали трубопроводов с внутренним и наружным силикатно-эмалевым покрытием предназначены для сооружения трубопроводов в нефтяной, энергетической, химической, пищевой, атомной, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Силикатно-эмалевое покрытие обеспечивает надежную, долговечную антикоррозионную защиту стенок труб. Особенно востребовано данное покрытие при строительстве трубопроводов, контактирующих с агрессивными средами.

Применение этого покрытия имеет следующие преимущества:

* увеличить срок службы трубопроводов не менее чем до 50 лет;

* увеличить пропускную способность труб более чем в 1,5 раза;

* обеспечить высокую чистоту транспортируемого продукта;

* предотвратить абразивный износ и отложения на стенках труб;

* повысить надежность трубопроводов в эксплуатации, особенно в условиях воздействия коррозионно-активных сред.

Толщина силикатно-эмалевого покрытия по видам покрытий должна быть:

* СЭК (коррозионностойкое, предназначенное для эксплуатации труб в агрессивных средах с рН 2-12) - от 0,22 до 0,50 мм,

* СЭА (гладкостное, исключающее осаждение из нефти парафина, смол, асфальтенов, а также продуктов полимеризации в средах с рН 6-8) - от 0,22 до 0,40 мм,

* СЭКА (стойкое против коррозии и абразивного износа для эксплуатации в средах с рН 2-12) - от 0,22 до 0,55 мм.

• 5.3 Производство силикатно-эмалиевых покрытий за рубежом

За рубежом эмалированные трубы и соединительные детали изготавливаются с наружным, внутренним и двухсторонним силикатно-эмалевым (стеклоэмалевым) покрытиями в соответствии с требованиями американских и европейских стандартов (API, UCO 2178, DIN и др.).

Наиболее крупными специализированными предприятиями, производящими эмалированные трубы в США, являются фирмы «Пфаудлер», «АО Смиткорпорейшн» и его дочернее предприятие «Глоскаут продактс». Фирма «Пфаудлер» - одна из ведущих компаний США по производству эмалированной аппаратуры и труб. Заводы фирмы размещены также в Англии, Мексике, Австралии, Германии, Швейцарии и Японии.

Одним из крупнейших производителей силикатно-эмалевой фритты является фирма «Ферро», которая поставляет фритту практически во все развитые страны Америки и Европы.

Производство эмалированных труб имеется во Франции, Венгрии, Украине и других странах. В общей структуре производства труб черной металлургией США, например, выпуск эмалированных труб по объему близок (а в отдельные годы и превосходит) к производству труб из нержавеющих сталей.

За рубежом эмалированные трубы с наружным покрытием используются для изготовления теплообменной аппаратуры. Внутреннее силикатно-эмалевое покрытие используют для пневмо- и гидротранспорта, транспортирования нефти, различных минеральных кислот, щелочей, горячей воды и пара, а также для высоко агрессивных сред с температурой эксплуатации до 250 °С (в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности). Двухстороннее покрытие используется для подземных трубопроводных магистралей различного назначения, пароперепускных барботажных труб, труб-дефлегматоров, экономайзеров. Эмалированные трубы широко используются для судовых котлов, высокая эффективность получена при эмалировании труб хвостовых поверхностей котлов, работающих на топливе с большим содержанием серы. В Германии организовано производство эмалированных трубчатых теплообменников высокого давления. В Англии эмалированные трубы применяются для систем подогрева воздуха судовых котлов, транспортировании сернокислых пульп с абразивами.

Данные о производстве эмалированных труб публикуются крайне редко или в общей массе труб с различными покрытиями (эмалированные указываются «в том числе»), что практически не позволяет выделить их отдельно.

• 5.4 Производство силикатно-эмалиевых покрытий в бывшем Союзе и России

В России эмалированные трубы и соединительные детали изготавливаются с двухсторонним наружным и внутренним силикатно-эмалевым покрытием в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51164-98, СНиП 2.05.06-85, СНиП Ш-42-80, ВСН 088-88, РД 39-132-94 «Правил по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов», РД 53-34.0-20.158-2003 «Типовой инструкции по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии», технических условий отечественных заводов-изготовителей трубной эмалированной продукции и с другими документами, утвержденными в установленном порядке.

Силикатные эмали по технике эмалирования различаются на грунтовые, покровные и безгрунтовые. Техника нанесения осуществляется мокрым (шликерным) и пудровым способами. Способы оплавления - печной и индукционный нагрев. Причем индукционное оплавление покрытия является приоритетом бывшего Союза и России. В России эмалированные трубы выпускаются на специализированных участках ряда заводов и в цехах по эмалированию труб. Одним из крупнейших производителей эмалированных труб и соединительных деталей с двухсторонним и внутренним силикатно-эмалевым (стеклоэмалевым) покрытием является ЗАО «НЕГАС». Годовое производство эмалированных труб в ЗАО «НЕГАС» составляет 1000 км.

Годовая производительность ООО «Самаранефтепромстрой» составляет 100 км, завода «АКОР» (г. Ульяновск) и «Оренбургкоммунгортепло» (г. Оренбург) - 60 км. В других городах России имеются небольшие участки по производству эмалированных труб.

Для изоляции труб и соединительных деталей используются в основном безгрунтовые силикатно-эмалевые покрытия.

• 5.5 Антикоррозионное силикатно-эмалиевое покрытие труб

В последние годы проблемы защиты наружной поверхности труб были решены благодаря тому, что на смену битумным покрытиям пришли надежные заводские полиэтиленовые покрытия.

Для предохранения внутренней поверхности труб от коррозии разработаны различные виды покрытий: эпоксидные, песчано-цементные, лаковые, силикатно-эмалевые и др. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Основными недостатками являются:

· песчано-цементное покрытие обладает шероховатостью и уменьшает площадь поперечного сечения труб;

· лаковые и эпоксидные покрытия имеют недостаточные прочностные и температурные характеристики;

· трубы из стеклопластики имеют сравнительно высокую стоимость;

· применяемые ингибиторы коррозии не обеспечивают значительного увеличения сроков службы трубопроводов.

В то же время накопленный производственный опыт показывает, что применение силикатно-эмалевого покрытия для защиты от коррозии как внутренней, так и наружной поверхности стальных труб и деталей трубопроводов обеспечивает их высокую химическую коррозионную и термическую стойкость.

Имея высокие гладкостные характеристики, силикатно-эмалевые покрытия не позволяют скапливаться на стенках труб различным отложениям, что не снижает их пропускную способность.

При формировании структуры силикатно-эмалевого покрытия применяется индукционный обжиг, который обеспечивает весьма высокую адгезивную прочность. (Адгезия -- прилипание, обеспеченное межмолекулярным взаимодействием.)

Силикатно-эмалевое покрытие защищает трубы в температурном режиме работы от минус 50 °С до плюс 350 °С и служит примерно 50 лет.

Силикатно-эмалевое покрытие предотвращает отложение парафина, асфальто-смолистых соединений, солей на внутренней поверхности стенок трубы, что улучшает гидродинамические характеристики трубопроводов.

Заключение

В современном мире уже невозможно представить различные отрасли промышленности без применения эмалей. Сейчас появилось огромное количество различных видов эмалей, и каждая из них активно используется в своей определенной области, в зависимости от ее химических и физических свойств.

В настоящее время повысились антикоррозионные свойства эмалей, посилилась их коррозионная стойкость.

Все это может указывать на актуальность применения и дальнейшего развития технологий получения и использования эмалей.

Глоссарий

1. Вямзкость (внумтреннее тремние) -- одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

2. Корромзия (от лат. corrosio -- разъедание) -- это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер.

3. Кислотостойкость - способность материалов противостоять разруш. действию кислот

4. Обжиг -- высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения (стабилизации) их фазового и химического состава и/или повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости.

5. Помристость -- характеристика материала, совокупная мера размеров и количества пор в твёрдом теле стекловидной фазы

6. Промчность (в физике и материаловедении) -- свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил

7. Химическая стойкость - это одно из свойств стойкости материала, характеризующее стойкость к агрессивным средам, то есть приобретать разные ускорения при одинаковых внешних воздействиях со стороны агрессивных сред.

8. Термическая стойкость - это техническое свойство материала -- его способность выдерживать термические напряжения не разрушаясь. Обычно её измеряют в количествах теплосмен, которое образец способен выдержать, потеряв не более 20 % своей массы.

9. Твёрдость -- свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела -- индентора.

10. Обжиг -- высокотемпературная термическая обработка материалов или изделий с целью изменения (стабилизации) их фазового и химического состава и/или повышения прочности и кажущейся плотности, снижения пористости.

11. Эмаль - это краска, представляющая собой раствор смолы, красящих веществ и большого количества различных добавок.

12. Силикатная эмаль -- затвердевшая, в основном стеклообразная неорганическая масса, основой которой является кремнезем.

Размещено на Allbest.ru