Химсопрмат

плуатационных нагрузок. Неметаллические материалы для замены металлов при работе в контакте с агрессивными средами могут быть как реактопластами, так и термопластами. Наибольшее распространение для изготовления оборудования в коррозионно-стойком исполнении получили реактопласты [23].

Замена металла на пластмассу снижает трудоемкость изготовле-

ния изделия и его стоимость. Во многих случаях применение пласт-

масс повышает долговечность деталей и оборудования, уменьшает их вес, придает им новые эксплуатационные качества. Так, применение пластмассовых труб повышает производительность трубопровода при прочих равных условиях на 10-15% и значительно снижает или ис-

ключает осаждение парафина и солей [22, 23].

Типичным представителем волокнитов, использующихся в каче-

стве конструкционных материалов, является фаолит [23]. Он пред-

ставляет собой реактопласт на основе феноло-формальдегидной смо-

лы с наполнением асбестовым волокном, графитом и кварцевым пес-

ком. Асбестовое волокно повышает химическую и теплостойкость, а

также улучшает диэлектрические свойства. Из фаолита могут изго-

тавливаться трубы и фасонные части к ним, колонны, насосы и дру-

гое оборудование.

Текстолиты и стеклотекстолиты, являющиеся слоистыми мате-

риалами, получают пропиткой хлопчатобумажных тканей или стек-

лотканей фенолформальдегидными, эпоксидными, полиэфирными и другими смолами с последующим отверждением. Они используются как конструкционные материалы для изготовления антифрикционных и электроизоляционных деталей, а также деталей, работающих в аг-

рессивных средах.

Графитолит (литьевой графит) относится к графитопластам, об-

ладает хорошей текучестью, что позволяет получать из него различ-

ные изделия методом холодного литья, к которым относятся центро-

бежные насосы и другие изделия сложной формы, обладающие высо-

кой химической стойкостью.

269

Стеклопластики в качестве армирующего наполнителя могут содержать нетканые стеклохолсты, стеклоткани различного плетения и стеклянное волокно, которые придают пластмассам высокую механическую прочность при достаточной химической и теплостойкости. Наибольшее увеличение прочности может быть достигнуто при использовании непрерывного стекловолокна, которое при разработке конструкции можно расположить с учетом направления действия максимальных напряжений. При этом возможно создание практически любой заданной анизотропии свойств. Получаемые в этом случае материалы по своей удельной прочности не уступают металлам. При всех своих преимуществах стеклопластики обладают и недостатками, а именно – относительно высокой проницаемостью для технологических сред и температурно-силовой зависимостью долговечности конструкции [23].

В качестве связующего (полимерной матрицы) для стеклопластиков используются различные синтетические смолы, главным образом фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, фурановые и их композиции. Для снижения стоимости стеклопластиков и придания им определенных свойств в композиции могут вводиться наполнители в виде каолина, печной сажы, мелкозернистого графита и др.

Армирование полимерной матрицы может осуществляться и высокопрочными углеволокном и бороволокном, а сами материалы носят название углепластиков и боропластиков.

Необходимо помнить, что создание конструкций из стеклопластиков (углепластиков и боропластиков) происходит одновременно с получением самих материалов путем их отверждения. То есть тем или иным способом создается заготовка изделия из армирующего наполнителя, пропитанного связующим, а затем за счет создания условий для протекания химических реакций осуществляется отверждение заготовки с получением готового изделия заданной формы с определенными механическими характеристиками. Знание технологических параметров и действующих на конструкцию нагрузок позволяет создать изделие с необходимой долговечностью. Стеклопласти-

270

ки являются перспективным материалом для насосно-компрессорных и обсадных труб и емкостного оборудования [20, 23].

Проницаемость стеклопластиковых изделий может быть существенно снижена дублированием термопластами, химически стойкими в перерабатываемыхсредах. Такиематериалыназываютсябипластмассами.

Термопласты применяют для изготовления оборудования, узлов и деталей, не несущих больших нагрузок, а также труб, фитингов и арматуры. В качестве конструкционных пластмасс используют полиолефины (полиэтилен и полипропилен), фторопласт, пентапласт и поливинилхлорид.

Полиэтилен имеет высокие механическую прочность и химическую стойкость к кислотам, щелочам и органическим растворителям при температуре до 60 ºС, легко обрабатывается резанием, хорошо сваривается. Из полиэтилена выпускаются пленки, ленты, трубы и фасонные части к ним.

Полипропилен при тех же положительных качествах обладает более высокой теплостойкостью (до 120 ºС), однако менее морозостоек. Из полипропилена можно изготавливать пленку, трубы, электротехнические и машиностроительные детали.

Для изготовления оборудования используют фторопласты марок Ф-3, Ф-4, 4Д и др. Температура стеклования фторопласта составляет минус 120 ºС, поэтому его можно использовать как при температуре до 260 ºС, так и при отрицательных температурах. Фторопласт химически стоек во всех кислотах, щелочах и растворителях, нестоек к действию фтора и расплавов щелочных металлов.

Пентапласт – высокопрочный термопластичный полиэфир, стоек к большей части органических растворителей, слабым и сильным щелочам, слабым и некоторым сильным кислотам при температуре до 130 ºС. Из пентапласта изготавливают фитинги трубопроводов, запорную арматуру, трубы, детали насосов и др.

В промышленности применяется поливинилхлорид двух типов: жесткий – винипласт и пластифицированный – пластикат. Винипласт имеет высокую механическую прочность и химическую стойкость к

271

действию кислот и щелочей до 60 ºС. Винипласт обладает хорошими технологическими свойствами: легко обрабатывается резанием, хорошо сваривается, склеивается, формуется, прессуется и штампуется. Пластикат отличается пониженной проницаемостью, эластичностью и высокой химической стойкостью [23].

Армированные термопласты могут использоваться для изготовления крупногабаритной аппаратуры. В настоящее время наиболее известен армированный полиэтилен, в котором механические нагрузки воспринимают армирующие волокна.

6.2. Неметаллические материалы для защитных покрытий

Неметаллические коррозионно-стойкие материалы используются не только как конструкционные, но и как защитные покрытия. Выбор вида защитного покрытия определяется многими факторами [20, 22, 23]:

назначением;

габаритными размерами;

местом установки;

наличием внутренних устройств;

стойкостью применяемых для защиты материалов к агрессивным средам и т. п.

Для защиты металлического оборудования могут применяться пластмассовые защитные покрытия, резиновые покрытия, лакокрасочные покрытия и футеровочные плитки. В нефтяной отрасли наибольшее применение нашли лакокрасочные покрытия.

Пластмассовые защитные покрытия получают обкладкой аппаратов листами или приклеиванием пленки соответствующего материала, также могут использоваться вкладыши. Процесс монтажа вкладыша состоит из прихватки между собой раскроенных элементов, их сварки, установки собранных элементов в аппарат, сварки по месту и защиты штуцеров.

272

Покрытия порошковыми полимерными материалами можно получить двумя методами: газопламенным или вихревым напылением и нанесением из суспензий. Газопламенное напыление используется для нанесения покрытий из полиэтилена, полипропилена, полиамидов и других полимеров. Метод нанесения пластмассовых порошков из суспензий применяется главным образом для нанесения фторопластовых покрытий.

Защита металлического оборудования материалами на основе каучуков – резинами, эбонитами, герметиками – называется гуммированием. Существует два вида гуммировочных покрытий: из листовых материалов, получаемых оклеиванием с последующей вулканизацией, и жидких резиновых и эбонитовых смесей. К гуммировочным также относятся латексные покрытия.

При выборе схемы покрытия необходимо учитывать условия эксплуатации оборудования, особенно гидродинамическое состояние среды, ее агрессивность и эрозионное воздействие.

Покрытия на основе химически стойких лаков, красок и эмалей обладают целым комплексом ценных свойств. Они не имеют швов, обладают достаточно высокой адгезией (высоким сцеплением) к металлической и бетонной поверхности, просты в получении, относительно дешевы и легко ремонтируются. Химически стойкие лакокрасочные материалы применяют для защиты резервуаров хранения нефти и нефтепродуктов, трубопроводов, очистных сооружений и т. п.

В зависимости от условий эксплуатации лакокрасочные покрытия подразделяются на стойкие к воздействию климатических факторов и стойкие в особых средах. Условия эксплуатации классифицируются следующим образом [22, 23, 24, 34]:

У – умеренный климат; УХЛ – умеренный и холодный; ХЛ – холодный; ТВ – тропический влажный;

ТС – тропический сухой;

273

Т – тропический; О – любой, кроме очень холодного;

М – умеренно морской; ТМ – тропический морской;

ОМ – тропический морской и умеренно холодный; В – любой.

Кроме этой классификации имеется понятие «категория изделия», которым пользуются для указания мест размещения изделий при продолжительной эксплуатации [24]:

категория 1 – на открытом воздухе;

категория 2 – под навесом или в неотапливаемых помещениях и т. д.

Классификация покрытий, стойких в особых средах, приведена в табл. 6.1.

Из большой группы существующих лакокрасочных материалов широко применяются покрытия из термореактивных полимеров и несколько реже – на основе термопластичных полимеров, а именно на основе перхлорвиниловых смол и сополимеров винилхлорида.

Покрытия на основе эпоксидных эмалей имеют высокую химическую стойкость в условиях воздействия агрессивных газов, паров слабой и средней степени агрессивности, горячих растворов щелочей, слабых растворов кислот, бензина, масел. Они получили наибольшее распространение для защиты от коррозии. Эпоксидные смолы подразделяются на две большие группы: диэпоксидные и полиэпоксидные. Смолы второй группы имеют более высокую термостойкость. Выпускается большой ассортимент химически стойких эпоксидных лакокрасочных материалов: шпатлевки, эмали, лаки. В настоящее время нашли применение эпоксидные композиции без растворителей, на основе которых можно получать однослойные покрытия достаточной толщины. Также существуют покрытия на основе эпоксиднокаменноугольной, эпоксидно-фенольной, эпоксидно-фторопластовой,

274

эпоксидно-сланцевой и других композиций. Модификация и совмещение с другими смолами позволяют целенаправленно изменять свойства композиций и получать составы для защитных покрытий с оптимальным комплексом показателей [22-24].

В антикоррозионных работах также находят применение лако-

красочные материалы на основе фенолоформальдегидных смол, ко-

торые подразделяются на спирто-, масло- и водорастворимые. При совмещении фенолоформальдегидных смол с эпоксидными получают лаки, а при добавлении наполнителей – различные коррозионно-

стойкие композиции для покрытий. Фенолоформальдегидные лако-

красочные материалы требуют сушки при повышенных температурах

(140-180 ºС). Для получения необходимого уровня защиты покрытия

275

должны иметь определенную толщину, зависящую от природы и концентрации агрессивной среды, а также температуры эксплуатации покрытия.

В качестве основы для получения лакокрасочных материалов на-

ходят применение фурановые смолы, которые подразделяются на фурфурольные, фуриловые и фурфуролацетоновые. Входящие в со-

став этих смол производные фурана оказывают ингибирующее дейст-

вие, и антикоррозионные свойства покрытия в целом улучшаются.

Фурановые лаковые покрытия обладают высокой адгезией, могут на-

носиться без грунтов и по своим химическим свойствам близки к фе-

нолоформальдегидным.

Большое распространение в качестве защитных покрытий полу-

чили лакокрасочные материалы на основе алкидных смол: глифтале-

вые и пентафталевые лаки, эмали и грунтовки. Все они характеризу-

ются высокой маслобензостойкостью.

Для защиты от коррозии в условиях трения и износа могут ис-

пользоваться полиуретановые покрытия, которые получают на основе простых и сложных полиэфиров. Лакокрасочные полиуретановые ма-

териалы могут быть одно- и двухкомпонентными. Однокомпонент-

ные материалы обязательно подвергаются горячей сушке, а двухком-

понентные могут отверждаться и при обычных температурах [23, 24].

Для получения лакокрасочных материалов также могут исполь-

зоваться различные высокомолекулярные кремнийорганические по-

лимеры пространственной структуры (термореактивные смолы),

главным образом фенил- и метилфенилполисилоксаны. Все кремний-

органические лаки и эмали отличаются высокой термостойкостью при длительной эксплуатации и удовлетворительной адгезией к ме-

таллам. При добавлении минеральных наполнителей в растворы кремнийорганических полимеров в толуоле получаются коррозионно-

стойкие покрытия с улучшенными свойствами.

276

6.3. Методы испытаний неметаллических материалов и лакокрасочных покрытий

Исходные свойства неметаллических материалов в процессе экс-

плуатации претерпевают различные изменения: под воздействием аг-

рессивных сред могут меняться объем материала, механические,

электрические, оптические свойства, проницаемость, адгезия и пр.

Изучив эти изменения, можно получить суммарную оценку коррози-

онной (химической) стойкости неметаллов. Выбор конкретных свойств, подлежащих контролю, определяется видом и назначением материала [23].

Химическую стойкость пластмасс в соответствии с ГОСТ 12020

оценивают по изменению массы, линейных размеров и механических свойств, образцов после выдержки в условиях, близких к эксплуата-

ционным.

Для испытаний используют образцы в форме диска 50 мм или квадрата 50х50 мм толщиной 3 мм. Перед испытаниями образцы кон-

диционируют по ГОСТ 12423 в течение 88 ч (температура 23 2 ºС,

относительная влажность 50 5%, в темноте), измеряют и взвешивают на аналитических весах. Образцы помещают в сосуд с коррозионной средой и выдерживают в течение заданного времени с промежуточ-

ными взвешиваниями. При проведении сравнительных испытаний пластмасс срок испытания составляет 7 суток. После окончания ис-

пытаний образцы промывают водой, вытирают, взвешивают и изме-

ряют. Изменение массы и размеров вычисляют в процентах.

Набухание определяется по формуле

M0

где M0 – начальная масса образца, г;

277

M1 – масса образца после экспозиции в среде при установившем-

ся сорбционном равновесии, г.

Водопоглощение рассчитывается по формуле

где V1 – объем образца при установившемся сорбционном равнове-

сии, см3.

Важнейшие прочностные характеристики пластмасс могут быть получены при испытаниях на растяжение по ГОСТ 11262. В ходе этих испытаний определяют:

текучести, Н;

A0 – начальное поперечное сечение образца, м2.

278