книги из ГПНТБ / Завелев Г.И. Неметаллические футеровки для аппаратуры нефтяной и нефтехимической промышленности

Глава V

КИСЛОТОУПОРНЫЕ И ЖАРОСТОЙКИЕ РАСТВОРЫ

ИБЕТОНЫ НА ЖИДКОМ СТЕКЛЕ

1.Процессы, происходящие при твердении кислотоупорного цемента и бетона на жидком стекле

Кислотоупорные и жаростойкие бетоны и растворы на жидком «текле, так же как и кислотоупорные цементы, представляют -собой композиции, в состав которых входят зернистые или тон­ комолотые минеральные или огнеупорные заполнители с добавкой кремнефтористого натрия. В качестве вяжущего для этих компо­ зиций применяются водные растворы силиката натрия или калия, так называемое жидкое стекло, состоящее из смеси различных

жидкое стекло удельного веса 1,36—1,38 и с модулем (отношение кремнезема к окиси натрия) 2,5—3. В качестве кислотоупорных заполнителей могут применяться андезит, бештаунит, гранит, маршалит, кварцевый песок, плавленый диабаз, базальт и др. Кислотоупорный заполнитель размалывается до размеров зерен не более 0,15 мм; в отдельных случаях допускается добавка более крупного заполнителя с размером зерен до 0,75 мм. Крем­ нефтористый натрий Na2SiF6 получают из отходов суперфосфат­ ного производства. Употребляемый для кислотоупорного цемента технический кремнефтористый натрий не должен содержать больше 5% примесей для первого сорта и 7% в случае второго сорта. Кремнефтористый натрий должен быть измельчен и просеян че­ рез сито с отверстиями 0,3—0,6 мм. Кислотоупорный бетон устойчив во всех минеральных кислотах любых концентраций,

рушается в растворах щелочей и солей, имеющих щелочную реакцию.

59

Правильно приготовленный кислотоупорный бетон имеет сле­ дующие физико-механические свойства.

Объемный вес, т/м3:

Обработка кислотоупорного бетона концентрированными ми­ неральными кислотами повышает его механическую прочность, на 20—50%. Наиболее значительное повышение прочности на­ блюдается при обработке серной кислотой. Повышение прочности бетона объясняется дальнейшим обезвоживанием геля кремневой кислоты, в результате чего бетон делается более плотным. Избыток

в дальнейшем вызывает усадку и увеличивает пористость бетона> Кислотопроницаемость бетона зависит от вязкости действующей на него кислоты. Концентрированная серная кислота проникает

бетон следует укладывать при температуре не ниже +10°. Кисло­ тоупорный бетон должен твердеть в сухой и теплой атмосфере, так как вода разрушает незатвердевший кислотоупорный бетон.

В настоящее время можно считать установленным, что твер­ дение цементов и бетонов на жидком стекле может протекать по всей толще цементного камня только в присутствии кремнефтори­ стого натрия. При этом между силикатом натрия и кремнефтрристым натрием происходит химическое взаимодействие с образова­ нием NaF и Si (ОН)4. Оптимальной дозировкой кремнефтористого натрия, придающей водостойкость кислотоупорному бетону, является его добавка в количестве 12—15% от количества жидкого стекла удельного веса 1,36—1,38. При недостатке кремнефтори­ стого натрия свойства цемента ухудшаются: водоустойчивость, уменьшается, механическая прочность падает, процесс твердения

П. Н. Григорьев и И. И. Сильвестрович объясняют процесс твер­ дения кислотоупорных цементов реакцией взаимодействия ме­ жду жидким стеклом и кремнефтористым натрием, которая про­ текает по следующему уравнению:

Na2SiF6-f-6H2O-|-2Na2SiO3 6NaF-{-3Si (ОН)4.

60

Исследованиями, проведенными И. И. Лагутиным, устано­ влено, что твердение при нормальных температурах различных композиций на жидком стекле без добавки кремнефтористого натрия протекает крайне медленно, причем процесс твердения идет лишь с поверхности, соприкасающейся с воздухом. При этом образуется корка, защищающая более глубокие слои от даль­ нейшего затвердевания. Процессы твердения И. И. Лагутин объясняет гидролизом Na2SiF6 и Na2SiOs с последующим взаи­ модействием между собой фтористого водорода и свободной ще­ лочи:

Na2SiF6+4H2O # 2NaF+4HF-J-Si(OH)4,

Na2O • п SiO2 + H2O # 2NaOH+ (n — 1) H2O • SiO2,

NaOH-f-HF—>NaF4-H2O.

Как показали испытания, с уменьшением модуля жидкого стекла прочность цементного камня с тонкомолотым шамотным наполнителем повышается. Это явление К. А. Поляков и другие исследователи объясняют тем, что в цементах, приготовленных на жидком стекле с модулем 3,0, преобладают аморфные фазы, а в цементах с более низким модулем ясно выражена кристалличе­ ская структура.

По данным К. А. Полякова и П. А. Ключенковой адгезионная способность кислотоупорных цементов находится в пределах 10—25 кГ/см2. Наименьшая адгезия с керамикой и сталью ха­ рактерна для цементов на жидком стекле с модулем 3,5, а наи­ большая — при модуле 2,0—2,5. Повышение адгезионной способ­ ности жидкого стекла низкого модуля можно объяснить тем, что нто стекло в своем составе содержит значительное количество сво­ бодного NaOH, который, взаимодействуя с наполнителем, акти­ визирует его поверхность. В результате этого улучшается сце­ пление вяжущего вещества с заполнителем и прочность образцов повышается.

2. Воздействие температуры на цементный камень из жидкого стекла

Наряду с кислотоупорными бетонами в промышленности боль­ шое применение находят жароупорные растворы и бетоны на жид­ ком Стекле. К. Д. Некрасовым и А. П. Тарасовой была прове­ дена работа по исследованию процессов, происходящих при на­ гревании в цементном камне на жидком стекле. В результате проведенных работ авторы сделали следующие выводы. Проч­ ность цементного камня при нагревании до 300° повышается в результате удаления гигроскопической влаги, обезвоживания и уплотнения геля кремневой кислоты. Дальнейшее увеличение прочности образца при 500° объясняется кристаллизацией S1O2,

61

протекающей в цементном камне в присутствии фтористого нат­ рия и щелочной среды. Снижение прочности цементного камня,, наблюдаемое при 600°, обусловлено модификационным превра­ щением кварца, образовавшегося в результате частичной кри­ сталлизации обезвоженного геля кремневой кислоты. Повышение прочности цементного камня при 700° можно объяснить образо­ ванием при этой температуре новой структуры затвердевшего цемента с содержанием бисиликата натрия. При температуре 800° в результате частичного образования жидкой фазы проч­ ность образцов снижается. Степень снижения прочности для раз­ ных составов цементного камня различна и зависит от количества в нем плавней. Еще большее снижение прочности наблюдается при температуре 900°, которое вызвано плавлением при темпе­

на прочность цементного камня оказывает тонкомолотый запол­ нитель. Наибольшую прочность, по данным К. Д. Некрасова, имеют образцы цементного камня с шамотным заполнителем. Приготовление цемента на низкомодульном жидком стекле при­ водит к появлению в цементном камне жидкой фазы при более низких температурах, чем в цементах на высокомодульном жид­ ком стекле.

Увеличение количества жидкого стекла в бетоне способствует снижению прочности цементного камня при его нагревании до 700—900° вследствие образования большого количества жидкой фазы и ухудшению жароупорных свойств цементного камня.

3.Жароупорный бетон на жидком стекле

сшамотным заполнителем

Жароупорный бетон на жидком стекле состоит из четырех ком­ понентов: сложного вяжущего вещества из жидкого стекла с до­ бавкой кремнефтористого натрия, тонкомолотой добавки (шамот­ ного порошка или диабазовой муки), шамотных песка и щебня. Состав бетона на жидком стекле, который может применяться в обмуровках, работающих при температурах до 900—1000°, следующий:

Исследования показали, что при подборе состава шамотного бетона необходимо допускать минимальный расход жидкого стекла, 370—400 кг на 1 м3 бетона. Расход остальных мате­ риалов для указанного выше состава составляет: кремнефтори­ стого натрия — 45 кг, шамотного порошка — 415 кг, шамотного песка — 625 кг и шамотного щебня — 625 кг (при подобранном оптимальном соотношении песка и щебня 1:1). Для жароупор-

52

ных бетонов может применяться содовое натриевое и менее де­ фицитное сульфатное натриевое стекло. Жидкое стекло перед, приготовлением бетона должно быть разведено водой до удель­ ного веса 1,38—1,40 (для получения наиболее прочного и удобоукладываемого бетона). Для обеспечения необходимой жаро­ упорности бетона жидкое стекло должно применяться с модулем не ниже 2,5 и не выше 3,2. Добавка кремнефтористого натрия, вводимого в состав сложного вяжущего вещества, влияет на процесс твердения бетона, на его прочность, жароупорность и термостойкость. Оптимальная величина этой добавки, как уже. указывалось выше, составляет 12% от веса растворимого стекла. Применяемый для приготовления бетона шамотный заполнитель имеет значительную пористость. В случае недостаточной его влажности заполнитель интенсивно впитывает в себя воду из жидкого стекла, что приводит к резкому ухудшению удобообрабатываемости бетонной смеси и к снижению прочности бетона.

Проведенные работы показали, что шамотные песок и щебень должны иметь влажность не менее 2—3%. В противном случае они должны быть увлажнены водой за 3—4 часа до приготовления бетонной смеси с тем, чтобы влажность их к моменту замеса была доведена до указанной величины. При влажности заполнителей от 3% до 5—7% применяется жидкое стекло удельного веса 1,42. При большей влажности материал должен быть предварительна подсушен. Бетон указанного выше состава характеризуется сле­ дующими физико-механическими показателями.

4. Жароупорный раствор на жидком стекле для шамотной кладки

Жароупорные растворы на жидком стекле можно применять для кладки обмуровки из жароупорных бетонных блоков и для кладки из шамотного кирпича, где они имеют преимущества перед обычными глиняно-шамотными растворами в отношении их прочности, плотности и долговечности. Применяется раствор следующего состава:

63

С целью защиты аппаратов на их внутреннюю поверхность наносят торкретированием плотный слой цементного раствора, препятствующий контакту агрессивцых агентов с поверхностью металла. Цементное покрытие (рис. 11) можно наносить на всю поверхность аппарата или только на участок, наиболее подвер­ женный коррозии.

Для защиты внутренних поверхностей нефтеаппаратов от кор­ розии при переработке сернистых нефтей Гипронефтемашем раз­ работаны покрытия двух составов.

Первое покрытие состоит из глино­ земистого цемента марок 400 и 500 (ГОСТ 969-41), тонкомолотой добав­ ки и речного песка средней крупно­ сти в соотношении 1:1:2 (вес. ч.), а второе — из пуццоланового портланд­ цемента марки 400 (ГОСТ 970-41),

тонкомолотой добавки и речного

Цементные покрытия нельзя применять для защиты от кор­ розии аппаратов, подвергающихся воздействию кислых нефтей или нефтепродуктов с содержанием свободной серной, соляной или другой кислоты. Процесс нанесения цементного покрытия включает следующие операции: пескоструйную очистку всей поверхности, приварку крепежной арматуры и натягивание ар­ мирующей сетки; удлинение штуцеров и люка на толщину по­ крытия; приварку ограничительной полки из угловой стали; на­ несение торкретированием (в 2—3 приема) цементного покрытия толщиной 50 мм; твердение покрытия. Рассмотрим каждую из этих операций.

2. Подготовка металлической поверхности к нанесению защитных покрытий

Перед нанесением неметаллических покрытий аппараты и емкости, бывшие в эксплуатации, очищают от нефтяных остат­ ков, грязи и продуктов коррозии, а также пропаривают и про-

66

ствляется газовыми горелками с подводом газа по гибкому рези­ новому шлангу. После окончания очистки трубу погружают в ванну с проточной водой для охлаждения и удаления из нее грязи, образовавшейся во время очистки.

3. Монтаж армирующей сетки и нанесение покрытия торкретированием

Крепежную арматуру изготовляют из стальной проволоки диаметром 4—5 мм в виде крючьев длиной 35 мм, шириной 20 мм. Крючья приваривают в шахматном порядке, причем к верх­ нему днищу аппарата на расстоянии 150 мм один от другого, а к корпусу (в цилиндрической его части) и к нижнему днищу на расстоянии 250—300 мм один от другого. Для армирования при­ меняют плетеную или круйеную стальную сетку из проволоки диаметром 2,5—3 мм с ячейками от 60 X 60 до 100 X 100 мм. Перед установкой сетку очищают от грязи и жира (промывают в бензине). Сетку можно очищать пескоструйной обработкой в ру-

.лоне. На верхнее днище и цилиндрическую часть армирующую сетку устанавливают после приварки крючьев, которые затем пригибают и сетку плотно притягивают к поверхности корпуса аппарата. Плетеную сетку привязывают к крючьям вязальной проволокой так, чтобы сетка находилась на расстоянии 15—20 мм от стенки аппарата. При армировании участков перехода от верх­ него или нижнего днища к цилиндрической части крючья прива­ ривают на расстоянии 100—150 мм один от другого и на них монтируют полосы армирующей сетки, которую соединяют про­ волокой с армирующей сеткой днища и цилиндрической части.

Покрытия наносятся торкретированиём. Сухую смесь для торкрет-покрытия приготовляют в растворомешалке. Сначала тщательно смешивают цемент с тонкомолотой добавкой (диаба­ зовой мукой или молотым кварцевым песком), а затем с песком. Влажность песка должна быть не более 8—10% и не менее 4—5%. При более высокой влажности песка во время торкретирования в шлангах из прорезиненной материи возможно образование «пробок». При меньшей влажности возникает статическое элект­ ричество, что может привести к расслоению сухой смеси. Рабо­ чую смесь перед загрузкой в цемент-пушку просеивают через сито с отверстиями размером 3 мм, чтобы в аппарат не могли попасть куски слежавшегося цемента или гравия, которые могут образовать в шлангах «пробки» и вызвать остановку работы цемент-пушки. Благодаря плотности и хорошему сцеплению с поверхностью армированное торкрет-покрытие является хоро­ шим изолирующим материалом, характеризующимся повышен­ ным сопротивлением растяжению и сжатию, а также устойчи­ востью против действия агрессивных газов и растворов.

При работе цемент-пушки подачу сухой смеси и воды регули­ рует рабочий-торкретировщик. Правильно нанесенный торкрет-

68