Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Надежность и безопасность при производстве и применении полимерных композиционных материалов. Учебное пособие
.pdf
81
ГЛАВА 2.
ПОЛИМЕРНЫЕКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Выбор конструкционных полимерных композиционных материалов определяется необходимыми деформационно-прочностными,
трибомеханическими, огнестойкими и жаростойкими свойствами, технологичностью переработки, доступностью и стоимостью. Специальные конструкционные ПКМ применяются: в тяжело-нагруженных
узлах трения (подшипники скольжения), работающих без смазки в
режимах знакопеременного динамического нагружения; в качестве
лопастей судов и рабочих колес насосов в условиях эрозионного и
абразивного воздействия и т.п.
Основными потребителями новых углеродных материалов
являются предприятия энергетики, машиностроительные заводы производители арматуры и насосов, ряд нефтеперерабатывающих
заводов. На основе пенографита разработаны новые уплотнительные
композиты, в которых сохранены все свойства, присущие графиту, и
добавлены новые потребительские качества, которыми не обладает
графит и другие углеродные материалы − упругость и пластичность.
Новые уплотнительные материалы на основе графитовой фольги
могут эффективно и надежно использоваться в интервале температур
от -270 до +3000°С, при рабочих давлениях до 40МПа в большинстве
рабочих сред (пар, вода, нефтепродукты, растворители, органические
вещества, водные растворы солей, кислоты, окислители), обладают
высокой пластичностью (способностью к холодному формованию),
восстанавливаемостью, длительным гарантийным сроком, низким
коэффициентом трения при скорости вращения до 50 м/с, являются
эффективной заменой асбестосодержащих уплотнений по всей
совокупности свойств.
Серьезную проблему представляет отбор известных и создание новых триботехнических материалов, предназначенных для работы в условиях трения и изнашивания для конкретных деталей технической системы (ТС) и условий их оптимального функционирования.
К материалам деталей узлов трения, рассчитываемых на большой
ресурс работы, предъявляются определенные требования по пределу
выносливости во избежание усталостного разрушения до выработки
заданного ресурса. Материалы деталей узлов трения должны обладать
необходимыми теплофизическими свойствами: хорошей теплопро-
водностью, достаточно высокой теплоемкостью и стабильными
коэффициентами линейного и объемного температурного расширения.
2.1. Антифрикционные и фрикционные материалы
82
Теплофизические свойства обеспечивают отвод и рассеивание тепла,
Наполнитель
1. Графит
0,04-0,06
4. MoSe2
0,02
2. MoS2
0,02-0,03
5. WSe2
0,02
3. WS2
0,06
6. BN
0,07-0,4
генерируемого в зоне трения, предохраняя детали узлов трения от
чрезмерного нагрева, способного вызывать ухудшение механических
и триботехнических свойств материалов, разрушению смазочных
материалов.
Многообразие конструкций технических систем, узлов трения
и условий их работы в машинах, приборах не позволяет рекомендовать какой-либо универсальный материал. До последнего времени основным материалом, используемым для изготовления деталей
узлов трения, были металлы. Чаще для изготовления деталей,
работающих в узлах трения, используют полимерные композиционные материалы. Из полимерных материалов изготовляют зубчатые колеса, шкивы, подшипники, кулачковые механизмы, уплотнения
и т.д. Антифрикционные полимерные материалы на основе термопластов отличаются высокой технологичностью, низкой себестоимостью, демпфирующей способностью, способны существенно повысить износостойкость. Термопластичные и термореактивные полимеры могут использоваться в качестве антифрикционных материалов,
как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с
различными наполнителями. Как правило, эти наполнители имеют
слоистую структуру. К ним относятся графит, дисульфид молибдена,
дисульфид вольфрама и др. Улучшение триботехнических характеристик достигается также введением наполнителей в виде волокон,
например углеродных, меднографитных взамен графитных порошков.
В таблице II.8. приведены значения коэффициента трения некоторых
антифрикционных наполнителей.
Наибольшее применение в настоящее время в узлах трения
машин находят текстолиты; стеклопластики; углепластики; комбинированные реактопласты.
Наряду с антифрикционными материалами в технике широко
используются и материалы, обладающие высоким коэффициентом
трения. Они имеют коэффициент трения в пределах 0,2-0,5 и используются во фрикционных устройствах различных машин и механизмов.
Таблица II. 8. Коэффициенты трения по стали антифрикционных
наполнителей (Бобович Б.Б., 2009)
Коэффициент
трения
Наполнитель
Коэффициент
трения
83
Фрикционные материалы — конструкционные материалы
)( f
)(hI
)( f
)(hI
трения, предназначенные или используемые для работы в узлах передающих или рассеивающих кинетическую энергию (тормоза, фрикционные муфты, сцепления, демпферы и др.). Фрикционные муфты и
тормоза являются весьма ответственными узлами, поскольку определяют безопасность эксплуатации транспортных средств. Благодаря
фрикционным материалам при торможении вся кинетическая энергия
транспортного средства в тормозах преобразуется в тепло, и поэтому в
момент торможения температура трущихся поверхностей, например в
тормозе самолетов, достигает 1200С, а в объеме тормозной накладки
до 600С. В тормозах автомобилей эти температуры соответственно
могут достигать 400С и 200С.
Фрикционная теплостойкость – характеристика, определяющая изменение фрикционных свойств материала в зависимости от температуры, обычно выражаемая через изменение коэффициента трения
и интенсивности изнашивания. Эффективность работы таких материалов в значительной степени определяется значениями коэффициента
трения и износостойкости. Величины значений коэффициента трения
и износостойкости
ными условиями работы и могут изменяться
от 10
—3
до 10
—13
. В отличие от антифрикционных, фрикционные
определяются в каждом случае конкрет-
от 0,07 до 1 и
материалы должны обладать высоким и стабильным коэффициентом
трения, достаточной износостойкостью, прочностью, устойчивостью к
температурным колебаниям, воздействию абразива и агрессивных
сред и обеспечивать высокие показатели долговечности.
Другая важная характеристика фрикционных материалов —
фрикционная термоусталость — усталость материала, при которой
накопление необратимых изменений, приводящих к возникновению на
поверхности трения трещин, происходит под воздействием многократного (циклического) совместного теплового и силового нагружений.
При этом деформирование от тепловых нагрузок в ряде фрикционных
узлов (муфты, тормоза) больше, чем от механических. Под влиянием
обоих видов нагрузок происходит в дальнейшем развитие трещин. В
связи с этим выбор фрикционных материалов должен производиться с
учетом тепловых условий работы узла трения. Во всем диапазоне
рабочих температур материал не должен претерпевать фазовых превращений, вызывающих изменение его объема, т.к. это может привести
к ускорению усталостного разрушения всей конструкции под влиянием остаточных напряжений.
Необходимый коэффициент трения легко достижим для многих полимерных и полимерных композиционных материалов. Как
правило, в состав материалов входят теплостойкий армирующий материал с прочными волокнами (асбестовыми, углеродными, базальтовыми) (15 —16%); теплостойкие с высоким и стабильным коэффици-
84
ентом трения порошкообразные наполнители неорганического происхождения (оксиды металлов, металлические порошки) (20 —60%);
полимерное связующее – натуральные и синтетические каучуки,
синтетические смолы (15—30%) с вулканизационными агентами или
отвердителями, ускорителями и активаторами вулканизации или
отверждения. Волокна предназначены для повышения теплостойкости
и прочности композиции, металлические наполнители улучшают
отвод тепла от полимерной композиции.
По своим свойствам асбест является уникальным природным
материалом, добываемый открытым методом, как основа для создания
фрикционных материалов. Волокна асбеста обладают высокой прочностью на растяжение (до 3000 МПа), превышающей прочность стали.
Асбест обладает высоким коэффициентом трения (до 0,8), который
мало меняется в зависимости от температуры. То же можно сказать о
прочности волокон, которая при нагревании до 400
на 20%. Лишь при 800
0
С наблюдается разрушение волокнистой
0
С снижается всего
структуры. Кроме того, асбест как бы очищает поверхность металического контртела, поглощая и связывая продукты изнашивания.
Однако асбест является экологически опасным материалом. Попадая в
легкие людей и животных, волокна поражают органы дыхания, вызывая заболевание «асбестоз». Во многих странах уже запрещено использовать асбест в качестве уплотнителей в строительстве, электротехнике, в производстве тормозных материалов. В то же время асбест
может быть заменен более безопасным арамидным волокном Кевлар.
2.2. Применение полимерных композиционных материалов
для защиты от коррозии
Для обеспечения безопасной и безаварийной эксплуатации
опасных производственных объектов (ОПО) важное значение имеет
создание системы, способной оказать эффективное управляющее воздействие на снижение числа аварий из-за коррозии. Основой для
разработки противокоррозионных мероприятий, входящих в общую
стратегию управления безопасной эксплуатацией ОПО, является
мониторинг коррозионной активности перекачиваемых сред,
скоростей коррозии. На основе данных мониторинга выбираются
варианты дальнейшей эксплуатации систем с проведением техникоэкономического сравнения вариантов (рис.II.2.).
Опасные производственные объекты, эксплуатируемые в химически агрессивной среде, выполняются, как правило, из стали нержавеющих марок или титана. Однако эксплуатационная надежность
такого оборудования из-за коррозии сварных швов очень низка. Композиционные материалы (наполненные пластики) не подвержены коррозии в металловедческом понимании этого термина. Сочетание упругого высокопрочного наполнителя (стеклянное, базальтовое волокно
85
или углеволокно) и эластичной полимерной матрицы (например, органические смолы холодного отверждения – эпоксидные, полиэфирные,
фурановые и др.) дает возможность получения материала с очень важным комплексом физико-механических и химических свойств.
Рис. II.2. Схема управления безопасной эксплуатации технических систем,
связанной с вопросами коррозии
Кроме того, изготовление ОПО из химически стойких композитов позволяет снизить массу конструкции на 25-50%; трудоемкость
изготовления в 1,5-2 раза; энергоемкость производства в 8-10 раз;
металлоемкость в 1.6-3 раза.
Считается, что химически стойкие композиционные материалы целесообразно и очень эффективно использовать в двух направле-
ниях: в качестве материала при проведении футеровочных работ, и в
качестве основы при изготовлении изделий производственно-технического назначения, эксплуатируемых в особо опасных производственных условиях.
Преимущества футеровки химически стойкими композитами,
по сравнению с другими способами защиты, заключается в отличной
адгезии к металлу и бетону; высокой прочности покрытия, выдерживающего удары, вибрацию, динамические нагрузки; стойкости в широком диапазоне химически активных сред; технологичности нанесения
покрытия, позволяющей производить работы «по месту» на поверхностях любой пространственной ориентации; ремонтопригодности
покрытия, позволяющей при надлежащем обслуживании объекта,
устанавливать максимально возможные сроки его эксплуатации;
отсутствии сварных швов, мест стыковки и других концентраторов
напряжений и «слабых» мест в отношении коррозии.
С экономической точки зрения использование композитов для
изготовления стойких к коррозии опасных производственных объектов очень эффективно. Низкая химическая стойкость нержавеющих
сталей в экстремально агрессивных средах требует применения
сплавов типа 06ХН28МДТ, HASTELLOY (ХН65МВ, Н70МФВ) что
увеличивает стоимость оборудования в 5-6 раз. Так стоимость изготовление ванны травления размерами 13х1,2х1,2 метра из специальной
стали марки ХН58В составляет 8,5 млн. рубл., в тоже время, стоимость подобной ванны, изготовленной из углеродистой стали с футеровкой композитом, составит 1,7 млн. рублей при сохранении тех же
гарантийных сроков эксплуатации. Особенно нуждается в
86
эффективной защите от коррозии химическое оборудование, рабочая
pH
температура которого ниже температуры окружающей среды, а также
трубопроводная арматура, насосы, воздуховоды, очистные сооружения, фильтры и другие элементы химических технологических объектов, работающие в условиях агрессивных сред.
2.2.1. Защита от коррозии оборудования нефтегазодобывающей
и нефтеперерабатывающей отрасли
Основной целью управления безопасной эксплуатации
трубопроводов является минимизация риска аварийных разливов
нефти в результате коррозионных повреждений трубопроводов и
других причин и сохранение качества окружающей среды. В случае
разлива нефти предприятие, во-первых, тратит средства на ремонт
трубопровода и ликвидацию последствий аварии, а во-вторых, платит
штрафы за снижение качества окружающей природной среды. По
данным Госгортехнадзора России, ежегодно регистрируется около 50
тыс. нарушений герметичности и разрывов труб, и их количество
растет с каждым годом.
Нефтепромысловые среды характеризуются как сильноагрессивные. Коррозионная активность добываемой газо-жидкостной смеси
определяется составом и свойствами пластовой воды, поскольку нефть
неагрессивна по отношению к металлу. Пластовые воды промыслов,
извлекаемые вместе с нефтью, представляют собой высокоминерализованные электролиты, содержащие преимущественно ионы натрия,
магния, хлора, кальция, обладающие нейтральным
ствии нефти коррозионная активность пластовой воды, как правило,
возрастает, скорость коррозии трубопроводов возрастает с 0,04 до 1,2
2
г/м
/час. В настоящее время средний срок службы стальных незащищенных труб составляет 3 года вместо 10 лет, водоводов для подтоварной воды —2 года, а в сероводородсодержащих средах срок службы труб без покрытия меньше еще в три-четыре раза. В худшем случае
результатом негативного влияния условий эксплуатации становится
разгерметизация трубопроводов с последующим разливом транспортируемой среды. Транспортируемые среды токсичны и взрывоопасны,
в результате чего объекты нефтедобычи, в том числе нефтепроводы и
водоводы подтоварной воды, в соответствии с ФЗ № 116 «О промышленной безопасности» от 21.07.1997г. относятся к опасным производственным объектам. Добиться повышения надежности и снижения
аварийности промысловых систем можно счет применения комплексных мер, включающих в себя использование труб с антикоррозионным покрытием, организацию диагностического контроля, применение труб с антикоррозионным покрытием. Основная задача антикоррозийного покрытия состоит в том, чтобы препятствовать непосредственному контакту поверхности с кислородом воздуха, влагой и
. В присут-
87
материалами, вызывающими коррозию (такими, напр., как гипс, извес-
P
тковый раствор или бетон). Кроме того, необходима защита внутренней поверхности сварного шва, так как в местах стыков труба корродирует особенно активно, что сводит к минимуму общий эффект от
нанесения изоляции. При реализации противокоррозионных проектов
производится защита не только самих трубопроводов, а также глубиннонасосного, наземного оборудования и резервуарного парка.
В ряде производств нефтегазовой отрасли, в том числе при
подготовке товарной нефти, в качестве отдельного необходимого
технологического блока рассматривается трубчатая печь. Эффективная и безопасная работа трубчатой печи во многом определяется
состоянием поверхности труб. На рис. II.3. показан фрагмент модели
«Дерево отказов» для трубчатой печи установки переработки пироконденсата. Отказ технологического аппарата («печи») рассматривается как событие, заключающееся в полной или частичной утрате
его работоспособности в результате коррозионных повреждений. На
рисунке символами
ных, промежуточных и окончательных событий (отказов). Перечень
исходных событий «Дерева отказов», в том числе, связанных с коррозией, приводится в таблице.
обозначены вероятности реализации исход-
2.2.2. Защита от коррозии химического оборудования
В химической промышленности в 57 случаях из 100 причиной
преждевременного выхода оборудования из строя является коррозия.
В связи с повышенными требованиями к безопасности при проведении технологических процессов, перекачивании взрыво- и пожароопасных жидкостей, токсичных, агрессивных, радиоактивных и других химически активных сред в современных технологических производствах на химических, нефтехимических, металлургических и предприятиях энергетики все большее возрастают требования к материалам оборудования ТС. Химически стойкие ПКМ способны противостоять воздействию практически всех известных химическиагрессивных сред и заменяют традиционные гумировку, металлы и сплавы
в конструкциях многих технологических аппаратов и устройств.
В настоящее время освоены процессы футеровки как импортными так и отечественными пластполимерными материалами, подбираемых по конкретно заданной рабочей среде. Футеровки из Тефлона
PFA (перфторалкоксилированный политетрафторэтилен, аналог
фторпласт-50), дает возможность создавать универсальную химической арматуры, одинаково хорошо работающее и в кислой, и в щелоч
ной средах, включая самые агрессивные. Для перекачивания и транспортировки химических сред с абразивом применяются угленаполненные тефлоны PVDF, Solef, PFA; для обеспечения взрывобезопасности — фторополимеры с удельным поверхностным сопроти-
88
исходных событий, связанных с коррозией труб
Рис. II.3. Фрагмент «Дерева отказов» технологического аппарата «печь» и таблица
89
влением менее 1000 Ом•см.Высокой стойкостью к химическим средам
обладают стеклонаполненные полипропилены. Применение их для
футеровки арматуры позволяет успешно работать с кислотами
щелочами, полярными растворителями при температурах от —40 до
0
+90
С. У изделий из композиционных материалов на основе
стеклопластика срок службы составляет до 30 лет, стойкость цвета до
15 лет, большой срок межремонтной службы, порог по отрицательным
температурам —60
0
С; отсутствие остаточных деформаций; простота
монтажа; небольшой вес; сейсмическая безопасность; низкая
теплопроводность; возможны пожаробезопасные и коррозионностойкие варианты любых изделий.
На ряде химических предприятий в настоящее время используются химическая коррозионно-стойкая к большинству агрессивных
рабочих сред аппаратура, изготовленная из композиционных материалов на основе стеклопластика и полимербетона. Например, среда в
вытяжной вентиляции станции нейтрализации кислот корпорации
«КазЦинк» в течение 1 минуты меняется от щелочной до кислотной. В
состав конденсата входят пары серной кислоты и кальциевой щелочи.
Температура колеблется от —40
0
до +1800С. В этих условиях стойкость к среде воздуховода из черного железа составляет 7 дней, а
стойкость воздуховода из нержавеющей стали 14 дней. Воздуховод,
изготовленный из композиционного материала на основе стеклопластика и полимербетона, находится в рабочем состоянии с 1996 по
сегодняшний день (рис. II.4.).
а) б) в)
Рис. II.4. Состояние воздуховода с 1996 г. по настоящее время: а)
разрушенный воздуховод; б) состояние до установки воздуховода из
композиционного материала; в) состояние воздуховода в настоящее время
(http://www.sdo-mysl.ru/).
Имеется положительный опыт по защите от коррозии при
использовании ПКМ следующих объектов: емкости под концентрированную щелочь с рабочей температурой до 200
0
С; ванны травления
с азотно-плавиковой и серно-плавиковой кислотами; мерники для
концентрированных азотной и соляной кислот; емкости с кислотами и
90
примесями органических растворителей и другие ОПО. Изготовление
β
max
h
отдельных опасных объектов или их элементов из химически стойких
композиционных материалов, помимо высокой химической стойкости
и других преимуществ по сравнению с металлами, позволяет снизить
массу конструкции на 25-50%; трудоемкость изготовления в 1,5-2
раза; энергоемкость производства в 8-10 раз; металлоемкость в 1.6-3
раза.
При оценке работоспособности любого конструктивного элемента необходимо рассматривать его интегральные свойства. Работоспособность любого конструктивного элемента будет определяться
наиболее слабым звеном в его конструктивной схеме. Большую проблему представляет выбор материала для корпусов приборов, особенно
для электронных приборов, работоспособность которых определяется
стойкостью корпусов к неблагоприятным факторам внешней среды.
Эти воздействия особенно опасны для электронной техники, приводя
к снижению ее надежности или отказам. Коррозионная стойкость
корпуса в наибольшей мере зависит от материала, из которого он
изготовлен, от вида защитного покрытия и от типа воздействующей на
него коррозионной среды. Необходимо одновременное сочетание
прочностных характеристик материала и его коррозионной стойкости.
Методы защиты металлических корпусов выбираются в зависимости от типа материала и доминирующего вида коррозии в предполагаемых условиях эксплуатации (рис. II.5.).
Рис. II.5. Влияние защиты металлических корпусов приборов на
эксплуатационную надежность
При оценке надежности оборудования, подвергающегося
коррозионно-эрозионному разрушению, в качестве критерия предельного состояния оборудования принимается разрушение определенной
доли
поверхности на предельно допустимую глубину.
В качестве критерия отказа принимается возникновение
сквозного разрушения стенки аппарата (или покрытия), что
соответствует достижению глубины разрушения (
) в одной из
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]