Новое антикоррозийное алюмокерамическое покрытие на основе плазменного нанесения

Размещено на http://www.allbest.ru

НОВОЕ АНТИКОРРОЗИЙНОЕ АЛЮМОКЕРАМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕНОГО НАНЕСЕНИЯ

Методы плазменного напыления относятся к числу наиболее активно развивающихся направлений в области защитных покрытий. Они заняли место в группе промышленно развитых методов и характеризуются высокой универсальностью, производительностью, легкостью в автоматизации, высокой скоростью протекания физических процессов и др. Напыление может производиться как на малые поверхности изделий, так и на большие, практически без ограничения размеров поверхности. Использование плазмы позволяет создавать покрытия различного назначения (износостойкие, коррозионностойкие, теплозащитные, электроизоляционные и другие).

Практический опыт применения плазменных покрытий, накопленный за последние 20-30 лет в различных отраслях промышленности, показывает, что износ деталей машин, эксплуатируемых в самых разных условиях, уменьшается, как правило, в 2-5 раз.

Традиционно для плазменного напыления использовали инертные газы (азот, аргон, гелий, аммиак и их смеси с водородом). Дороговизна и дефицитность их обуславливали трудность при практической реализации плазменных технологий. Использование в качестве плазмообразующей среды смеси воздуха с углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном) или сжатого воздуха позволило реализовать на практике в широком промышленном масштабе новый тип плазменных установок. Особенности таких установок и реализуемых технологических процессов - комбинирование электрической и тепловой энергии, которая выделяется в зоне нагрева материала.

При плазменном нанесении покрытий на поверхности изделия формируется слой из частиц порошка, обладающих определенным запасом тепловой и электрической энергии, полученной в результате взаимодействия со струей дуговой плазмы. Температура плазменной струи достигает 5000-10000 К, а скорость истечения - 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка грануляцией 20-150 мкм расплавляются и преобретают скорость 300-500 м/с. В результате нанесения формируется композиционное покрытие, которое состоит из алюминиевой матрицы с равномерно распределенными в нем, и металлургически связанными, частицами керамики, хорошо сцеплено с основой - прочность на отрыв - 35 МПа, имеет низкую пористость - 0,5%.

Процесс плазменного напыления осуществляется следующим образом. Плазматрон закрепляют в приспособлении для нанесения и устанавливают на заданном расстоянии от детали. Дистанция напыления составляет 100-300 мм. Приспособление для напыления может обеспечить плавное перемещение напыляемого материала относительно поверхности изделия для получения равномерной толщины покрытия. Скорость перемещения струи относительно изделия составляет 3-15 м/мин., окружающая скорость вращения изделия - 10-15 м/мин. Ось сопла плазматрона должна быть направлена к напыляемой поверхности под углом 60-90°. В качестве плазмообразующего газа используют компримированный очищенный от влаги и масла воздух с давлением до 0,3 МПа и метан или пропан-бутан по ГОСТ 20443-80.

Технологическая линия по нанесению алюмокерамического покрытия плазменным методом на наружную поверхность труб диаметрами 57ч1420 мм состоит в основном из следующего оборудования:

накопителя для черных труб;

рольганов для перемещения и вращения труб;

установки чернового отжига труб;

проходной дробеструйной или дробеметной установки;

камеры плазменного напыления;

стенда контроля качества покрытий.

В состав камеры входит плазматрон, два питателя-дозатора с системой управления, источник электропитания, газоприготовительная станция и пульт управления.

Технология плазменного нанесения алюмокерамических покрытий имеет следующие особенности:

отсутствие ограничений по толщине покрытия, наносимого за один проход; плазменный напыление алюмокерамический покрытие

малые габариты рабочей камеры для нанесения покрытий;

грануляция напыляемого порошка до 150 мкм;

возможность нанесения покрытия из любых механических смесей порошков;

возможность нанесения покрытия на наружные поверхности тел вращения;

снижение затрат энергии на получение покрытия;

возможность полной автоматизации процесса.

Плазменный способ высокопроизводительный - до 30 кг/ч, позволяет получать антикоррозионные алюмокерамические покрытия.

Покрытие предназначено для защиты от коррозии конструкций из черных металлов, которые эксплуатируются в сильно и слабо агрессивных средах, в том числе трубопроводов.

Алюмокерамическое покрытие конкурирует с лакокрасочными, гальваническими покрытиями, получаемыми окунанием в сплав, стеклоэмалевыми, битумными, битумно-резиновыми, полимерными и эпоксидными.

Для данного покрытия характерна высокая стойкость к воздействию агрессивных сред с водородным показателем рН=2-12. Под воздействием основных эксплуатационных факторов старения (температуры, совместно температуры и влаги, агрессивных сред, электрических потенциалов) алюмокерамическое покрытие не изменяет своих первоначальных свойств и выполняет роль протекторной защиты. Выдерживает нагрев до 450°С. При напылении на сварные швы не только защищает шов от коррозии, но и придает сварному соединению повышенную сопротивляемость зарождению коррозионно-усталостных трещин, в том числе инициируемых в линии сплавления при повторно-статическом нагружении.

Наличие алюмокерамического покрытия защищает также участки с частичными отслоениями покрытия.

Зависимости защитных свойств от его толщины в пределах 150-400 мкм не выявлено.

Алюмокерамическое покрытие не требует дополнительной пропитки и прокатки, превосходит алюминиевое по коррозионной стойкости более чем в 2 раза, а по износостойкости в 6-8 раз.

Результаты испытаний алюмокерамического покрытия при воздействии основных эксплуатационных факторов старения на фирме по наладке, совершенствованию технологий и эксплуатации электростанций и сетей "Фирма ОРГРЭС" позволяют рекомендовать его в качестве антикоррозийной защиты трубопроводов подземной прокладки тепловых сетей в соответствии с РД 34.20.518-95 "Типовая инструкция по защите тепловых сетей от наружной коррозии".

АЛЮМОКЕРАМИКА ЗАЩИЩАЕТ ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Одной из достаточно сложных проблем нашей металлической цивилизации является защита изделий от воздействия внешней среды. Лучшие научные силы мира направлены на расшифровку механизма коррозионного разрушения и выработку способов защиты.

Тем не менее, каждая шестая доменная печь работает на компенсацию потерь от коррозионного разрушения.

Кроме прямых убытков, которые несут экономики стран от коррозии, имеют место экологические и механические аварии, сопровождающиеся загрязнением среды обитания человека.

В странах СНГ эти проблемы особенно обострились в связи со сменой способа управления экономикой.

Игнорирование проблемы коррозионной защиты в масштабах страны приведет в итоге к лавинообразному катастрофическому разрушению механизмов и конструкций, начиная от сельхозмашин до трубопроводов и мостов.

Ситуацию нельзя недооценивать, и поэтому эффективные разработки по решению проблемы коррозионной защиты следует приветствовать и способствовать их реализации.

В настоящее время продвижение на рынок подобных конкурентноспособных разработок требует комплексного решения задачи, начиная от разработки эффективных экологически безопасных антикоррозионных материалов и технологии их нанесения до разработки новых способов строительства из защищенных элементов и оборудования для нанесения покрытия в полевых условиях.

Уверенным шагом именно в таком направлении решения проблемы антикоррозийной защиты является разработка нового композиционного алюмокерамического покрытия, а также технологии и оборудования для его нанесения.

Начнем с того, что прямые и косвенные потери от коррозии конструкций и сооружений из черных металлов (трубопроводов, корпусов судов, нефтяных платформ, резурвуаров, мостов и т.д.), несмотря на большой скачок в развитии материалов покрытий и технологий их нанесения, остаются велики даже в технически передовых странах. В России же практически отсутствуют заводы по изготовлению проката и труб мирового уровня, оснащенные высокомеханизированным оборудование по нанесению эффективных защитных покрытий.

А ведь задача повышения качества, надежности и долговечности изделий из черных металлов и одновременно сокращения сроков и стоимости строительства остается крайне актуальной. От решения ее никак не уйти. Это значит, что необходимо осуществить как минимум три взаимосвязанных мероприятия:

создание наиболее эффективных экологически безопасных антикоррозионных материалов и индустриальной технологии их нанесения за наименьшую цену;

создание современного механизированного и автоматизированного оборудования и заводов по производству труб, проката и других изделий с покрытием;

совершенствование технологии строительства конструкций и сооружений из элементов с защитным покрытием.

Все это может быть решено с использованием нового композиционного алюмокерамического покрытия, технологии его нанесения и соответствующей аппаратуры.

Первоначально данное покрытие разрабатывалось для защиты корпусов ледоколов, нефтяных платформ и других изделий, которые эксплуатируются в сильно и слабо агрессивных средах с рН=2-12 и растворах солей. Оно должно было, наряду с обеспечением коррозионной стойкости, обладать высокими механическими характеристиками - износостойкостью, способностью сохранять свои свойства при гибке и холодной штамповке изделия, эффективно защищать сварные швы и в течение всего периода эксплуатации сохранять защитные и декоративные свойства. Покрытие композиционное, хорошо сцеплено с основой. Состоит из алюминиевой матрицы с равномерно распределенными в нем металлургически связанными частицами керамики и интерметаллидов. Оно получено путем высокоэнергетического напыления расплавленных в плазменном сверхзвуковом потоке частиц алюминия и керамики на предварительно подготовленную поверхность.

Алюмокерамическое покрытие выполнит свои функции только при точном обеспечении условий его формирования. При правильно назначенном режиме напыления все частицы алюминиевого порошка прогреваются до полного плавления и разгоняются до скорости 300-500 м/с, а керамики до оплавления с поверхности и скорости 200-400 м/с (в зависимости от плотности материала). Фракционный состав алюминиевого и керамического порошков, параметры их ввода в плазменную струю выбраны таким образом, чтобы максимально возможным способом снизить аэродинамическое дробление расплавленных частиц, повысить количество столкновений и коагуляцию алюминиевых частиц с керамическими в полете. Это способствует лучшему сплавлению разнородных материалов с образованием химических связей и интерметаллидов. При ударе о поверхность изделия частицы деформируются, внедряются в неровности основы и образуют очаги схватывания . Частицы керамики в сравнении с алюминием имеют больший запас тепловой энергии, образуют в покрытии участки микросплавления с интерметаллидами. Вокруг частиц керамики образуются участки с повышенной когезионной связью и плотностью. Эти обстоятельства приводят к формированию хорошо сцепленного с основой и плотного алюминиевого покрытия (пористость - 0,5%) с равномерно распределенными в нем частицами керамики и интерметаллидов. Такое покрытие имеет повышенные коррозионные и механические характеристики. Наличие твердых частиц керамики в мягком матрице алюминия приводит к многократному повышению механической прочности и износостойкости покрытия. При невыполнении указанных условий покрытие представляет собой механическую смесь разнородных материалов с грубой структурой и низкой когезией, хаотичным распределением пор с неравномерными размерами. Именно в этом заключается качественный скачок от широко известных алюминиевых металлизационных покрытий к композиционному алюмокерамическому.

В алюмокерамическом покрытии за счет композиционного строения под воздействием агрессивной среды образуется множество микрогальванических элементов, которые стимулируют химические реакции образования нерастворимого осадка. Он плотно закупоривает поры и покрывает шероховатости, выполняет роль диффузионного барьера или пассиватора, предотвращая доступ агрессивной среды к металлу. Поэтому алюмокерамическое покрытие является протекторным пассивирующимся.

Для напыления алюмокерамических покрытий на трубы в стационарных и полевых условиях (на соединения труб) используется специальная плазменная аппаратура.

Испытания алюмокерамического покрытия при стендовом моделировании эксплуатационных условий работы трубопроводов тепловых сетей показали, что испытуемое покрытие не изменяет своих первоначальных свойств в течение всего периода эксплуатации (не менее 30 лет). Изолированные изделия могут эксплуатироваться и храниться при любой температуре окружающей среды, при этом не требуется дополнительная установка катодной защиты.

На сегодняшний день алюмокерамическое покрытие нашло применение в России для защиты труб (в основном тепловых сетей) от коррозии. Тепловые сети являются важным звеном любой системы центрального теплоснабжения, поэтому в транспорт тепловой энергии вкладываются большие капиталовложения, соизмеримые со стоимостью строительства ТЭЦ и крупных котельных. Учитывая, что цена таких трубопроводов сильно возрастает за счет теплоизоляии, составляющей около 20% от общей стоимости строительства трубопроводов, исключительно большое значение приобретают вопросы повышения надежности и коррозионной стойкости. В России в настоящее время находится в эксплуатации около 30 тысяч километров магистральных теплопроводов с диаметром труб 600-1400 мм. Протяженность всех остальных теплосетей с меньшим диаметром труб превышает 190 тысяч километров. Большая часть тепловых сетей построена в 50-70-х годах с применением неэффективных антикоррозионных материалов и конструкций - армопенобетона, битума и минеральной ваты с низкими эксплуатационными характеристиками, поэтому уровень аварий очень высокий. Частые перекладки аварийных и ветхих теплосетей требуют непрерывных раскопок, вскрытия асфальтовых покрытий и приносят колоссальный вред, особенно в крупных городах. При этом практически полностью теряется ежегодно около ста тысяч тонн стальных труб.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБ В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ

Защита от коррозии металлических, в первую очередь стальных, трубопроводов - одна из крупнейших научно-технических проблем.

Исследования в этой области проводятся по двум направлениям: создание пассивной защиты - антикоррозийных покрытий, и активной - электрохимзащиты. Активная защита труб, как правило, не применяется без пассивной.

Круг материалов, применяемых для пассивной защиты трубопроводов от коррозии, чрезвычайно широк, что вызвано разнообразными требованиями, предъявляемыми к защитным покрытиям, условиями эксплуатации требопроводов, технологичностью процессов нанесения покрытий на трубы, экономическими соображениями, обеспеченностью сырьевыми материалами и т.д. Одним из самых универсальных по применимости является стеклоэмалевое покрытие, для которого характерны:

исключительная долговечность, стойкость к воздействию различных агрессивных сред, в том числе и при сравнительно высоких температурах до +250°С;

высокая стойкость к эрозионному износу, устойчивость к биокоррозии. Стеклоэмалевые покрытия можно с успехом применять для улучшения гидравлических характеристик трубопровода - снижения гидравлического сопротивления и предотвращения отложений на стенках.

Одним из напралений, обеспечивающих надежную защиту труб от внутренней коррозии, является применение силикатно-эмалевых покрытий. Использование их позволяет сохранить в чистоте транспортируемую воду, уменьшить затраты на транспортировку, содержание и техническое обслуживание, значительно увеличить срок службы трубопроводов.

Для применения эмалированных труб в системах горячего водоснабжения силикатно-эмалевые покрытия должны удовлетворять ряду требований:

обладать химической устойчивостью к горячей воде;

обеспечивать надежную защиту от внутренней коррозии на весь период эксплуатации труб;

быть конкурентноспособными по сравнению с другими покрытиями;

составы покрытий должны быть достаточно дешевыми и недефицитными.

Традиционно используемые, например, в химической промышленности, эмалированные трубы по всем техническим характеристикам отвечали вышеприведенным требованиям, однако их стоимость приближалась к стоимости труб из нержавеющей стали. Высокая стоимость была связана с технологией эмалирования, при которой применялись многослойные покрытия, состоящие из грунтовых и покровных эмалей, с общей толщиной 1000 мкм и выше. Для снижения стоимости покрытий ряд научно-исследовательских институтов провел экспериментально-технологические работы по синтезу оптимальных однослойных безгрунтовых составов эмалей. В результате были получены однослойные покрытия толщиной 250-400 мкм. Лабораторные исследования позволили прогнозировать обеспечение защиты металла в течение длительного времени (35-40 лет) с использованием новых составов покрытий.

Технологический процесс производства эмалированных труб состоит из следующих операций:

чернового отжига металла труб с использованием печного и индукционного обжига;

дробеструйной очистки внутренней поверхности труб;

нанесения эмалевого шликера;

сушки шликерного покрытия;

оплавления шликерного покрытия в печах переодического действия или с использованием индукционного нагрева;

охлаждения труб;

контроля толщины и сплошности покрытия.

ЗАО "Завод АКОР ЕЭЭК", http://www.akori.uln.ru/

Размещено на Allbest.ru