Защита оголовков факельных систем методом газотермического напыления покрытий
Условия работы конструкционных сталей, характеризующиеся сочетанием высокой температуры и химической агрессивностью технологической среды чрезвычайно разнообразны, причём вероятность повреждения металла крайне высока. Длительный нагрев также вызывает появление новой структурной составляющей - сигма-фазой - хрупкого, твердого немагнитного интерметаллидного соединения, имеющего переменный состав и состоящее преимущественно из хрома. Сигма-фаза образуется в виде выпадающих мелкодисперсных карбидов по границам и внутри зерен, что приводит к охрупчиванию сталей, снижению их пластичности и жаропрочности. Кроме того, длительный нагрев вызывает обезуглероживание стали - процесс состоит в том, что количество углерода на поверхности нагреваемого металла уменьшается, так как кислород воздуха в первую очередь окисляет углерод, а не железо. Обезуглероживание стали наступает тогда, когда скорость диффузии углерода больше, чем скорость окисления железа. Обезуглероживание понижает механические свойства сталей - сопротивление ползучести при высоких температурах.
Кроме того, нельзя забывать и о высокотемпературном окислении металла. Стойкость сталей к коррозии в газовых средах при высокой температуре зависит от их состава и состава газов, температуры и длительности ее воздействия, скорости нагрева и охлаждения, наличия напряжений. Повреждение металла усиливается при наличии в газовой среде коррозионно-агрессивных по отношению к металлу компонентов. При наличии сероводорода, оксидов серы, водяного пара, оксида ванадия (V) и других компонентов, защитные пленки на жаропрочных сталях разрушаются, что снижает долговечность материала. Воздействие указанных веществ на материал проявляется при температуре металла, превышающей 400 °С.
Рассмотрим пример защиты от высокотемпературного воздействия оголовков факельных установок. Они предназначены для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючих газов и активно используются в добывающей, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности. Оголовок факельной установки подвержен воздействию открытого пламени («завал» пламени при сильном ветре), высокотемпературной коррозии, термоциклических и других нагрузок, совместное воздействие которых приводит к снижению срока службы.
Ввиду столь агрессивного воздействия, оголовки, как правило, изготавливают из высоколегированных жаропрочных сталей. Для повышения жаростойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. Основными легирующими элементами, повышающими жаростойкость сталей, являются хром, кремний и алюминий. Образовавшаяся тонкая оксидная пленка из этих элементов затрудняет дальнейшее окисление стали. Чем выше содержание хрома, кремния или алюминия в стали, тем выше жаростойкость стали и тем выше может быть рабочая температура эксплуатации элемента конструкции. В результате защитные свойства оксидной пленки сохраняются длительное время, но содержание окисленных элементов в стали при длительной эксплуатации постоянно снижается в итоге приводя к изменению ее свойств из-за образования сигма-фазы. Как следствие, ударная вязкость стали уменьшается в 10 раз - это приводит к растрескиванию оголовка. В свою очередь, обезуглероживание является причиной снижения несущей способности конструкций, что в конечном итоге приводит к их деформации под действием ветра, давления и перепадов температур. В зависимости от материала оголовка и среды эксплуатации может преобладать один или другой механизм разрушения.
Рис. №1. Фотографии поврежденных оголовков факельных систем (слева-растрескивание, справа-деформация)
На данный момент существует два основных подхода к защите оголовков факельных установок. Первый - изготовление оголовков из жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта.
В частности, компания Rolled Alloys предлагает сплав RA333 на основе никеля с высоким содержанием хрома и добавками молибдена, вольфрама, кобальта и кремния. По данным промышленных испытаний, срок службы оголовков из сплава RA333 в три раза больше, чем их аналогов из нержавеющей стали марки 310 [1]. Однако у такого решения есть существенный недостаток - цена. Второй подход заключается в установке теплоизоляционных плит - это позволяет существенно снизить температуру на поверхности металла. В некоторых случаях при поджиге они разрушаются из-за недостаточной стойкости к термоудару.
Одним из способов защиты от негативного влияния среды является применение покрытий. Задачей является применение такого покрытия, использование которого увеличило бы ресурсные характеристики за счёт снижения обезуглероживания материала, из которого выполнен факельный оголовок, сохранения его прочностных характеристик и увеличения коррозионной стойкости. Лакокрасочные покрытия не подходят для столь агрессивной среды из-за низкой термостойкости. Покрытия на основе металлов, сплавов, керамик, получаемые методом газотермического напыления, широко используются в промышленности для защиты от износа и коррозии, в том числе высокотемпературной. Такие покрытия имеют характерную слоистую («чешуйчатую») структуру, которая образуется при ударе расплавленных капель о поверхность подложки с последующей кристаллизацией (рис. №2, слева). Процесс нанесения покрытия методом электродуговой металлизации представлен на рис. №2, справа. Более подробная информация о способах нанесения и свойствах газотермических покрытий представлена в [2-4].
Рис. №2. Схема процесса газотермического напыления (слева) и фотография процесса металлизации.
В литературе на настоящий момент нет упоминаний о применении газотермических покрытий для защиты оголовков. Сотрудниками инжинирингового центра ООО «ТСЗП» был предложен материал на основе композиционных термореагирующих составов системы NiAl, в качестве метода нанесения было выбрано газопламенное напыление. Цель применения покрытия β-NiAl заключается в использовании эффекта экзотермического взаимодействия компонентов с образованием новых соединений β-NiAl, Ni3Al и выделением тепла, обеспечивающего дополнительный разогрев порошка в момент переноса частиц и формирования покрытия на поверхности подложки. Алюминид никеля β-NiAl является одним из наиболее жаростойких материалов, имеющим широкую область гомогенности (рис. №3). Кроме того, за счёт выделяющегося тепла значительно повышается адгезия покрытия - в среднем, её величина составляет 40-50 МПа.
Рис. №3. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы Al-Ni [5].
В то же время степень защиты увеличивается, если после нанесения покрытия β-NiAl провести его диффузионное алитирование, для этого на поверхность покрытия β-NiAl газопламенным способом наносится покрытие на основе чистого Al. Такое покрытие дополнительно снизит сквозную пористость, увеличит прочность сцепления покрытия и увеличит содержание алюминия в композиционном покрытии в несколько раз. При этом в ходе эксплуатации из-за воздействия высоких температур постепенно будет происходить дальнейшее диффузионное алитирование.
С целью исключения электрохимического взаимодействия между слоями покрытия и подложкой, а также дополнительной изоляции пор возможно применение пропиток. Процесс пропитывания состоит в изоляции покрытия неорганическими растворами. Неорганические пропитки могут быть выбраны из следующих классов соединений: фосфаты (алюминия), хроматы (хромовая кислота), силикаты (натрия и этилсиликат), золь-гель или другие растворы.
Рис. №4. Внешний вид (слева) и микроструктура (справа) двухслойного покрытия NiAl+Al.
Результатом применения металлического покрытия с пропиткой или двухслойного металлического покрытия является предотвращение окисления и обезуглероживания материала оголовка за счет изоляции его от внешней среды, что увеличивает срок службы оголовка факельной установки в целом. По данному методу подана заявка на получение патента на полезную модель №2012105687 «Оголовок факельной учтановки (варианты)» от 20.02.2012 г.
Универсальность данного метода защиты определяется возможностью нанесения самых различных материалов покрытий: цинка, алюминия, их сплавов и специальных составов, предназначенных для эксплуатации в различных средах. Применение газотермических покрытий для защиты металлоконструкций позволяет отказаться от использования высоколегированных сталей и заменить их нелегированными и даже чугунами, исключить операцию термической обработки изделий. На сегодняшний день за рубежом многие крупногабаритные конструкции защищают металлизационными покрытиями. Металлизационные покрытия используются в резервуарах и трубопроводах различного назначения, на железнодорожных мостах и переходах, на осветительных опорах и ограждениях автомобильных дорог, в судостроении, на гидросооружениях и другие. Причин тому достаточно много: стойкость к коррозии, абразивному износу, высоким температурам, экологичность и возможность нанесения на месте монтажа и эксплуатации конструкций, а также долговечность.
Балдаев Л.Х.1, Мазилин И. В.1, Пономаренко Д.В.2, Настека В.В.2, Коренякин А.Ф.2, Бедин В.В.2, Низамов Н.Ф.2, Козырев О.Н.2, Григорьев С.Б.3
