Анализ долговечности технологического оборудования из армополимербетона ФАМ, эксплуатирующегося в агрессивных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет

Анализ долговечности технологического оборудования из армополимербетона фам, эксплуатирующегося в агрессивных условиях

Иващенко Ю.Г.

Обследование травильных отделений ряда предприятий метизной подотрасли черной металлургии Российской Федерации показали, что конструкции технологического оборудования (травильные ванны, емкости для хранения растворов кислот и др.) подвержены воздействию агрессивных сред, повышенных температур, динамических нагрузок, что приводит к преждевременному их выходу из эксплуатации.

Основными технологическими травильными растворами является серно- и солянокислотные с концентрацией до 200 г/л с рабочей температурой от 60 до 90 0С.

Применяемая в этих условиях комплексная противокоррозионная защита металлических корпусов травильных ванн не обеспечивает надежной защиты в экстремальных условиях эксплуатации из-за различия температурных характеристик применяемых материалов.

Каркас ванны, выполненный из листовой стали с ребрами жесткости с внешней стороны защищается в несколько слоев антикоррозионными лакокрасочными составами. Комплексная защита состоит из 2 … 3 слоев полиизобутилена, футеровки из кислотоупорного кирпича с расшивкой швов кислотостойкими замазками на основе жидкого стекла или арзамита.

Выполняемая комплексная многодельная защита зачастую производится с отступлениями от нормативных требований, вследствие чего травильные ванны выходят из строя через 1 … 3 года эксплуатации, а часто и раньше этого срока. Ежегодные затраты на восстановление и ремонт составляют в среднем 30 … 50 % от их первоначальной стоимости и не обеспечивают требуемой работоспособности технологического оборудования в сложившихся условиях эксплуатации.

Существенное повышение долговечности технологического оборудования достигается в результате применения фурановых полимербетонов на основе мономера ФАМ.

Работы по изготовлению армополимербетонных травильных ванн и кислотных емкостей осуществлялись на 7 предприятиях (Саратовском метизном, Магнитогорском калибровочном и метизно-металлургических заводах и др.).

Технологию изготовления травильных ванн из армополимербетона разрабатывали применительно к номенклатуре существующих типов конструкций, представленных в табл. 1.

Таблица 1 Номенклатура монолитных армополимербетонных конструкций травильных ванн и емкостей

Составы полимербетонных смесей, принятые для изготовления ванн приведены в табл. 2, а их свойства в табл. 3.

Таблица 2 Составы полимербетонных смесей

Таблица 3 Свойства составов полимербетона ФАМ

Первая опытная травильная ванна из армополимербетона ФАМ была изготовлена на Саратовском метизном заводе в 1976 году. В настоящее время эксплуатируется более 40 единиц технологических ванн и емкостей из полимербетона ФАМ.

Для оценки состояния полимербетона ФАМ из стенок травильных ванн были высверлены керны-цилиндры диаметром 70 мм, высотой 70 мм для оценки физико-механических свойств материала за 30 лет эксплуатации. Испытания показали, что снижение прочности при сжатии составило в среднем 20 … 25 % от первоначальной.

С целью выявления структурных изменений, происходящих в фурановых композитах под воздействием адсорбционно-активных сред, были проведены физико-химические исследования.

В качестве объектов исследований в работе применялись наполненные композиционные материалы на основе фурфуролацетонового мономера ФАМ (ТУ 64.11.17-89), отверждаемые бензолсульфокислотой (ТУ 6-36-0204229-90).

Данные рентгеноструктурных исследований (рис. 1), позволяют сделать вывод о том, что начальный период деградации (длительность экспозиции 1 месяц) характеризуется нарушениями в структуре объемного фуранового полимера.

Наблюдается расщепление и уширение рефлекса Х. При этом прочность композитов снижается на 30 … 40 % [1,2]. С увеличением длительности экспозиции в воде отмечаются структурные изменения связующего, что, вероятно, связано с образованием низкосимметричной структуры фуранового полимера и о чем свидетельствует наличие аморфного гало на рентгенограмме. Некоторое повышение, либо стабилизация прочностных характеристик в этот период деградации связывается со структурной перестройкой, увеличением гибкости цепей молекул полимера и релаксацией внутренних напряжений в композите.

Рис.1. Дифрактограммы полимерных связующих.

1 - до экспозиции; 2 - 1 месяц экспозиции; 3 - 6 месяцев экспозиции.

Эти обстоятельства, а также известная способность минеральных кислот (H2SO4, HCl, H3PO4) к гидролитическому расщеплению б, в-непредельных кетонов и, прежде всего фурфурилиденацетона давали нам основание предположить, что при использовании БСК имеет место аналогичная реакция. Действительно, вытеснение фурфурола бензолсульфокислотой из фурфурилиденацетона было подтверждено нами качественным путем (стеклянная палочка, смоченная HCl или H2SO4 и ацетоном, вносится в смесь, содержащую фурфурол - появляется красно-фиолетовое окрашивание) и УФ-спектром водного экстракта, полученного при длительном выдерживании (1 месяц) отвержденного БСК композта на основе ФАМ. На кривой 2 (рис. 2) отсутствует полоса поглощения с лmax = 330 нм, характеризующая фрагмент составляющего смолы ФАМ - монофурфурил-иденацетона, однако появляется серия полос с лmax = 256 … 280 нм, идентифицированная нами как n > р переходы в фурфуроле и р > р в БСК. полимербетонный смесь композит адсорбционный

Это дает объяснение эксплуатационной нестабильности обсуждаемых композиционных материалов. Под воздействием воды несвязанная БСК осуществляет кислотный гидролиз моно- и дифурфурилиденацетона и других аналогичного типа структурных фрагментов композиций и нарушает густосетчатое строение последних, что отражается на физико-механических свойствах.

Рис.2. УФ - спектры фурфуролацетонового полимера и его водного экстракта

1 - отвержденная композиция ФАМ + БСК; 2 - водный экстракт данной композиции.

Вытесняемые бензолсульфокислотой фурфурол и ацетон вступают во вторичные преобразования, давая низкомолекулярные продукты, например, диацетоновй спирт. Последний, за счет взаимодействия с аналогичной молекулой может образовывать с одной стороны мостичные структуры, с другой - сложные соединения с бензолсульфокислотой. Об этом свидетельствуют проведенные нами

эксперименты по выдержке композитов на основе ФАМ в бензоле и снятые для бензольных экстрактов инфракрасные спектры поглощения (рис. 3).

Рис.3. ИК - спектр поглощения бензольного экстракта фурфуролацетонового полимера

Обнаруженное, находится в соответствии с обсужденными выше данными и исследованиями в работе [3] по старению полимера дифурфурилиденацетона в воде. Кривые потенциометрического и кислотно-основного титрования, имеющие несколько скачков, изменяющихся во времени, дают определенную информацию о сложном составе продуктов деструкции, в том числе, по данным УФ-спектроскопии фурфурола (лmax = 230, 280 нм), монофурфурилиденацетона (лmax = 330 нм), дифурфурилиденацетона (лmax = 390 нм). В то же время авторами отмечается факт создания в воде кинетических условий для автоокисления фурановых производных под действием растворенного кислорода воздуха.

Наряду с деструктивными процессами, сопровождающимися выделением водорастворимых продуктов, в полимере происходит сшивка полимерных звеньев, о чем говорит изменения интенсивности ряда их полос. Наблюдается уменьшение полосы 1650 … 1620 см-1, соответствующей остаточным двойным связям боковых цепей на 30 … 40 % фуранового кольца - 1020, 970, 890, 730 см-1 на 10 … 18 %. Интенсивность сшивки возрастает с увеличением температуры. Приведенные исследования являются дополнительным доказательством полученных нами результатов и объясняют причины частичного разрушения фурфуролацетонового связующего в процессе его эксплуатации.

Сопоставительный анализ экспериментальных данных показывает, что степень деградации фурановых композитов в воде определяется многими условиями: структурообразующими факторами, видом отверждающей системы, параметрами и длительностью воздействия агрессивной среды и физико-химическими процессами деструкции.

Полученные экспериментальные данные подтверждают высокую эксплуатационную надежность полимербетона ФАМ в адсорбционно-активных кислотных средах при повышенной температуре с прогнозируемой долговечностью не менее 30 лет.

Список литературы

1. Иващенко Ю.Г., Желтов П.К., Соломатов В.И. Деградация фурановых композитов в воде //Проблемы прочности материалов и конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами: Межвуз.научн.сб. Сарат.гос.техн.ун-т. - Саратов, 1993. - С. 150-155.

2. Желтов П.К. Особенности структурообразования и деградации фурановых композитов: Дисс. … канд.техн.наук: 05.23.05 - Саратов, 1996. - 163 с.

3. Шастова Л.А., Кожевникова В.С., Мамутова В.В. О химическом старении полимера дифурфурилиденацетона в воде //Химия и технология фурановых соединений. - Краснодар, 1985. - С. 87-91.

Размещено на Allbest.ru