Функциональный подход к защите от коррозии промышленных объектов
На протяжении многих десятилетий проблема борьбы с коррозией металлов привлекает пристальное внимание специалистов в области технологий, руководителей промышленности. Её затрагивают и на правительственном уровне, ведь последствия коррозии влияют на положение многих отраслей промышленности, обороноспособности страны. Например, установлено, что общемировые расходы нефтяной промышленности на борьбу с коррозией составляют 3,7 миллиардов долларов в год [1]. Поэтому в целях снижения негативного воздействия коррозионных процессов и рационального использования ресурсов в мире проводят разработку соответствующих мероприятий с привлечением научных организаций.
Согласно современной методологии науки поиск пути решения заключается в том, чтобы вложить наблюдаемые явления в определенную теоретическую систему с выявлением структурных черт, как некой целостности. Воздействие среды в этой системе выступает в наборе факторов, определяющих характер коррозионных повреждений, а начальные данные о самом объекте (геометрия, химический состав и др.) служат базой для подбора способа воздействия на него (определяют возможность какого-либо внешнего способа придания свойств для защиты от влияния среды). Пошаговый анализ проблемы в заданном контексте лежит в основе методологии функционального подхода, а именно на рассмотрении:
- на первоначальном этапе: взаимодействие объекта с внешней средой, то есть общая картина, не касающаяся внутреннего строения объекта. При этом, наблюдая поведение объекта, исследователь может установить закономерности в появлении тех или иных реакций (действий) на воздействие среды. На этом этапе получаемые параметры носят общий характер, не дающий полного представления о процессе взаимодействия «объект-среда», но уже позволяющие выбрать область технологий защиты, а в случае «несложных задач» - сразу найти решение;
- на следующем этапе - «детализация»: объект рассматривается как система, имеющая структуру, взаимодействие её составляющих, их действий, в результате которых объект приобретает те или иные свойства. Рассмотрение структуры объекта особенно отмечается, когда его функционирование прекращается или отклоняется от предъявляемых к нему требований. Следует, отметить, что, хотя среда определенным образом влияет на структуру объекта, изучение структуры осуществляется в условиях заданного отношения "объект - среда" как и на первом этапе.
Формально среда "присутствует" в этом отношении как набор параметров, определяемых независимо от структурных характеристик системы [2]. Итогом данного этапа является выявление ключевых (частных) параметров обуславливающих общее поведение объекта в процессе взаимодействия со средой (дополнение первого этапа).
- на этапе «синтеза»: после выявления основных закономерностей (или ключевых параметров) обуславливающих поведение объекта при взаимодействии со средой происходит построение новой структуры объекта, обладающей функциями в зависимости от требуемой задачи.
Таким образом, применение функционального подхода дает исследователю возможность получить информацию, позволяющую выявить основные закономерности взаимодействия «объект (как система) - внешняя среда» и тем самым спрогнозировать будущее поведение объекта, т.е. изменения свойств
Функциональный подход применительно к защите от коррозии промышленных объектов
Перенося методологию функционального подхода применительно к решению задач коррозионных разрушений промышленных объектов, исследователь получает возможность выделить те или иные ключевые закономерности или критерии и, тем самым, синтезировать структуру будущего материала (покрытия), наиболее стойкого в условиях конкретной среды, а также спрогнозировать ее будущее поведение.
Что касается выбора метода реализации функционального подхода, то на сегодняшний день существует различное множество способов, обладающих теми или иными преимуществами и недостатками. Наибольшее распространение, как более простого и дешевого с точки зрения способа и применяемого оборудования, получили лакокрасочные материалы (ЛКМ). Однако, ресурс таких материалов является незначительным. Это обусловлено, в первую очередь, изменением свойств пленкообразующего слоя и деструкции входящих веществ под действием внешней среды (атмосферы, солнечной радиации и др.), несоблюдением технологии нанесения ЛКМ. Как известно, именно свойства пленкообразующего вещества определяют свойства лакокрасочного покрытия [3].
Другим способом является нанесение различных полимерных покрытий, стойкость которых выше, чем у ЛКМ. Однако, обладая множеством положительных специфических свойств (высокая пластичность, хладостойкость и др.), полимеры подвержены процессам старения, а взаимодействуя с гидратами, способны к набуханию и потери устойчивости. При этом, их повреждение, как и ЛКМ, может дополнительно способствовать процессу подпленочной коррозии при нанесении на металлические поверхности.
Наиболее полно функциональный подход с отсутствием недостатков, имеющихся как у ЛКМ так и у полимерных покрытий, можно реализовать с помощью технологий газотермического напыления, набирающих все большее применение в отношении защиты различного оборудования, конструкций от износа, кавитации, коррозии, термоциклирования и др. Это обеспечивается возможностью нанесения многослойных покрытий, где каждый слой, участвующий в формировании структуры, несет свою функцию (рис. 1).
Рис. 1 - Общая структура функционального покрытия
Так как характер коррозии и причина ее образования на объектах промышленности различна, то наличие того или иного слоя, его толщины, последовательности, при создании защитного функционального покрытия методом газотермического напыления зависит от конкретных условий среды (температура, давление и др.).
В качестве основных материалов для защиты от коррозии используются:
- проволока (газопламенное напыление или электродуговая металлизация), нанесение протекторных покрытий;
- порошковые материалы (на металлической основе) или их смеси (газопламенное высокоскоростное напыление);
- полимерные материалы (газопламенное, плазменное напыление).
Адгезия таких покрытий довольно высока и зависит от метода нанесения. Например, адгезия покрытий к основному материалу, нанесенного методом высокоскоростного напыления, достигает более 80 МПа при пористости порядка 1 %.
Примером применения материалов из проволоки для защиты от коррозии служат металлизационные протекторные покрытия на основе алюминия, цинка, магния или их смесей. За рубежом металлические протекторные покрытия на основе алюминия и цинка стали активно внедряться в различных областях промышленности в 80-90-х годах прошлого столетия в рамках стандартов ISO 2064 Metallic and other non-organic coatings-Definitions and conventions, ISO 2178 Non-magnetic coatings on magnetic substrate's, в основном использовались для защиты мостов, различных стальных конструкций, дымоходов и других изделий. В России их распространение не находило широкого применения до сегодняшних дней, однако сейчас ситуация кардинально изменилась.
Особенностью этих покрытий, помимо механической защиты, является образование на поверхности оксидной пленки устойчивой к воздействию среды. А при электрохимической коррозии, смещение процессов к «себе» за счет большей электроотрицательности (роль протектора), обеспечивает защиту основного материала. Другой особенностью является эффект «самозалечивания» в случае наличия повреждения. Однако, наличие излишней пористости может привести к преждевременному снижению эффективности металлизационных покрытия, это требует поиска средств улучшения их свойств.
Дальнейшим развитием протекторных покрытий на рынке коррозионной защиты является семейство покрытий «Спрамет» (разработка ЗАО «Плакарт»). «Спрамет» - комбинированные протекторные металлизационно-лакокрасочные покрытия для защиты стали от коррозии, сочетающие в себе преимущества обоих классов. Согласно проведенным исследованиям Американского общества сварщиков и Комитета по газотермическому напылению (Великобритания) комбинированная протекторная защита (напыленный металл плюс пропитка) обеспечивают наилучшую защиту от коррозии металлоконструкций в высокоагрессивных средах (морская и речная вода, атмосфера с повышенным содержанием сернистых выбросов, подземная прокладка элементов стальных конструкций при наличии блуждающих токов и другие).
В качестве примера использования покрытия «Спрамет» можно привести - мост «Живописный» г. Москва (рис. 2), статуя «Рабочий и колхозница» (рис. 3).
Рис. 2 Рис. 3
Защитное покрытие «Спрамет» нанесенное на мост «Живописный» Защитное покрытие «Спрамет» нанесенное на статую «Рабочий и колхозница»
Как и в случае с мостом «Живописный», так и со статуей «Рабочий и колхозница» характер воздействия внешней среды аналогичен: наличие выбросов от автотранспорта, воздействие атмосферных осадков, пыли. Отсюда стояла задача обеспечить максимальную защиту с приданием декоративных свойств поверхности. Применение семейства покрытий «Спрамет» позволило сделать это с минимальными затратами и в наикротчайший срок.
Примером промышленного применения функционального покрытия (из порошкового материала) является защита от коррозионно-эрозионного воздействия сероводорода объектов ООО «Газпром добыча Астрахань» (рис. 4). Основной причиной интенсивной коррозии явилось воздействие среды: паров воды, сероводорода, природного газа, аминов. Это вызвало появление язв диаметром 4 - 32 мм с плотностью 1 - 35 язв/дм2 на внутреннем корпусе колонны из стали ASTM A350-LF2. Причем появление язв происходило непосредственно на площади порядка 42 м2 в нижней части нагруженной колонны (рис. 4а). Такое обстоятельство приводит к возможности обрушения колонны из-за усиления процессов усталостного разрушения материала под действием коррозии, что требует полной замены всей колонны. Разработанное нами функциональное покрытие (рис. 4в), нанесенное методом высокоскоростного напыления (рис. 4б) позволило избежать замены колонны, путем локальной защиты наиболее пораженного участка. Первый слой такого покрытия обеспечивал помимо высокой прочности сцепления с основой (более 50 МПа), высокую коррозионную стойкость. Второй слой - коррозионную и эрозионную стойкость в условиях сереводорода. Результаты эксплуатации колонны с покрытием и без покрытия приведены на рисунке 5.
Рис. 4 - Функциональное газотермическое покрытие нанесенное на внутреннюю стенку колонны адсорбера
После года эксплуатации без защитной композиции После года эксплуатации с нанесенной защитной композицией
Рис. 5 - Внутренняя поверхность корпуса абсорбера после воздействия агрессивной среды
(доля сероводорода и других соединений серы в добываемом газе составляет 26-28 %)
Таким образом, развитие технологий защиты от различного воздействия среды не останавливается на достигнутом, появляются все более совершенные методы и материалы, но каково бы ни было их назначение лишь тесная взаимосвязь практики и методологий научного познания и анализа позволит обеспечить их максимальную эффективность. При этом сама идея применения функционального подхода и технологий газотермического напыления позволяет нам решать большой спектр вопросов в различных отраслях промышленности (авиация, нефтехимия, нефтепереработка, автомобилестроение, и другие), не ограничиваясь лишь проблемами коррозии.
Д.З. Ишмухаметов, С.С. Мухаметова, А.М. Ахметгареева
