Повышение работоспособности деталей оборудования, в условиях коррозии и абразивного изнашивания

Коррозия и износ деталей технологического оборудования целлюлозно-бумажного производства вызываются целым рядом факторов, связанных с условиями и режимом работы узла, особенностями его конструктивного исполнения и технологии изготовления, составом и свойствами сред, физико-химическими свойствами материалов, применяемых для изготовления и ремонта деталей. Немаловажное значение имеет соблюдение технологической дисциплины и предусмотренных сроков планово-предупредительных ремонтов при эксплуатации оборудования.

Поэтому повышение работоспособности деталей может быть достигнуто посредством комплекса мероприятий конструктивного, технологического и эксплуатационного характера, а также применением рациональных методов ремонта и восстановления отдельных деталей и узлов в целом.

Основными мероприятиями являются:

- рациональное конструирование узлов, предусматривающее проектирование деталей такой формы и размеров, которые обеспечивали бы возникновение на рабочей поверхности минимальных по величине механических воздействий в процессе работы, удобную наладку и эксплуатацию агрегата;

- экономически обоснованное, рациональное применение коррозионно- и износостойких материалов, защитных покрытий и способов упрочнения поверхности деталей с целью обеспечения высокой работоспособности узла в целом;

- тщательная очистка щепы, рабочего раствора и других составляющих технологических сред от инородных примесей для уменьшения абразивного воздействия на рабочие поверхности деталей;

- поддержание параметров рабочей среды на допустимых, с точки зрения технологии, пределах, обеспечивающих минимальную коррозионную активность среды по отношению к материалу изнашиваемых деталей;

- применение по возможности ингибиторов коррозии, а также протекторной защиты работающих узлов для уменьшения интенсивности электрохимического растворения активных участков поверхности деталей;

- соблюдение технологической дисциплины при эксплуатации агрегатов;

- своевременное проведение осмотров, текущих и капитальных ремонтов изношенных агрегатов и узлов с применением прогрессивных материалов и методов восстановления;

- применение при изготовлении и ремонте технологических процессов, обеспечивающих минимальные остаточные напряжения и минимальное изменение физико-химических свойств исходных материалов для обеспечения высокой стойкости.

Наиболее действенным способом повышения работоспособности оборудования, эксплуатирующегося в агрессивных средах, является применение специальных коррозионностойких материалов. В целлюлозно-бумажной промышленности для этих целей используются высоколегированные стали, никелевые сплавы, титан и его сплавы.

Коррозионностойкая хромоникилевая аустенитная сталь марки 12Х18Н10Т и ее аналоги отечественного и зарубежного производства, например, стали AISI-304 (США), SIS-2333 (Швеция) и другие, применяются для изготовления трубопроводов, пропарочных камер, теплообменной аппаратуры и других узлов и деталей, работающих в щелочных, нейтральных, слабокислых агрессивных средах. Эта сталь хорошо противостоит коррозионному разрушению во многих средах сульфатцеллюлозного производства, в том числе в сдувочных парах и газах котлов и их конденсате при рН = 5-10, в среде слабого и упаренного черного щелока (рН = 12-14), в парогазовой смеси от гасителей (рН = 10-12), во вторичном паре от выпарной установки ( pH= 6-9) и в ряде других сред.

Основные недостатки этих сталей — низкая коррозионная стойкость в средах, содержащих хлор-ионы и растворы соляной и серной кислот, а также высокая склонность к межкристаллитной коррозии, особенно в зоне термического влияния сварных соединений. Для повышения коррозионной стойкости в кислых средах применяются кислотостойкие хромоникелиевые аустенитные стали, дополнительно легированные молибденом, в том числе отечественные стали марок 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т и 08Х17Н15М3Т и подобные марки сталей зарубежного производства – AISI-316 (США), SIS-2343 (Швеция) и др. Эти стали показали высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах сульфитцеллюлозного производства, в том числе в атмосфере сернистого ангидрида, в растворе сульфитной варочной кислоты (рН = 1,5-4), в сырой сульфитной кислоте (рН = 1,5-3), в крепком сульфитном щелоке (рН = 1,8-2,0), в кислом конденсате выпарных установок (рН = 2-5) и в других средах.

Подобные марки стали широко применяются в качестве плакирующего слоя биметаллических варочных котлов и других аппаратов в целлюлозном и лесохимическом производствах. В этом случае основу биметалла составляют углеродистая или низколегированная качественные стали. Наибольшее применение в качестве основы находит углеродистая сталь марки 20К, предназначенная для котлостроения и сосудов, работающих под давлением (ГОСТ 5520-79).

Плакирующий слой из коррозионностойкой стали при толщине основного металла 25-40 мм составляет 3,5-6 мм. Как показал опыт эксплуатации биметаллических котлов, плакирующий слой подвергается коррозионным разрушениям различного вида (точечной, подповерхностной, избирательной в районе сварных швов и др.). В этом случае плакирующий слой биметалла разрушается в большей степени, чем металл на деталях, полностью изготовленных из аналогичной марки стали. Особенно это проявляется у варочных котлов периодического действия, что связано не только с вероятностью появления дефектов в процессе производства биметаллического проката и выполнения технологических операций при гибке, вальцовке, сборке и сварке, но и с особенностями механических и коррозионных воздействий в процессе эксплуатации. Чаще всего это явление связывают с усилением коррозионных процессов и коррозионной усталостью в специфических условиях возникновения переменных напряжений в плакирующем слое во время пуска, работы и остановки котла, а также с повышенной концентрацией хлоридов и сульфидов в варочной среде.

В последнее время для повышения коррозионной стойкости аппаратов из биметалла используют плакирующий слой из хромоникелевых сталей с низким содержанием углерода (менее 0,03%), что значительно уменьшает интенсивность общей коррозии и повышает стойкость к межкристаллитной коррозии. К таким сталям относятся шведская 832 StR, американская AISI 316 L и 317 L, отечественная ЭИ 844 и др.

Широкое применение в ЦБП находят сплавы на основе никеля и титана, особенно в сильноагрессивных средах, содержащих хлориды, в среде влажного хлора и т.п. Имеется положительный опыт применения в этих условиях никелевых сплавов ХН28МДТ (ОХ23Н28М3Д3Т), ХН65МВ, титановых сплавов ВТ 1-0, ВТ-5, ОТ 4-1 и т.д. Из титана изготовлены многие детали оборудования для отбелки целлюлозы хлорсодержащими реагентами, например, башни двуокиси хлора на Амурском ЦБК, баки для гипохлорита натрия на Туринском ЦБК, трубопроводы на Неманском ЦБК, вакуум-фильтры на Советском ЦБК и др.

Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей оборудования ЦБП может быть достигнуто: заменой изношенных деталей новыми; обработкой рабочих поверхностей, разрушенных коррозией и изношенных вследствие коррозионно-механических воздействий, под ремонтные размеры; наращиванием размеров изношенных деталей, применяя неметаллические и гальванические покрытия, напыления и наплавки. Наплавка и нанесение методами металлизации защитного слоя на рабочие поверхности изношенных деталей являются ведущими и наиболее распространенными методами повышения их работоспособности и срока службы. С помощью этих методов можно производить многократное наращивание деталей практически до любых требуемых размеров.

Процессы наплавки и металлизации являются относительно простыми и могут быть осуществлены в условиях ремонтных служб целлюлозно-бумажных предприятий с применением несложного наплавочного и металлизационного оборудования. Однако для обеспечения высокой работоспособности необходимо правильно подойти к выбору материалов, применяемых для наплавки и напыления износостойкого слоя на поверхность деталей, с учетом особенностей их эксплуатации и характера разрушения.

Для восстановления деталей целлюлозно-бумажного производства методами наплавки и напыления могут использоваться различные стали, сплавы и неметаллические материалы. Выбор конкретного типа материала должен производиться на основе анализа условий работы изделия и механизма его разрушения с учетом требуемых эксплуатационных характеристик наносимого слоя, трудоемкости восстановления, затрат на материалы и оборудование и других технико-экономических показателей.

Наиболее широкое распространение при восстановлении геометрических размеров изношенных деталей методами наплавки находят углеродистые и легированные стали. Углеродистые стали при содержании углерода не более 0,3-0,4% имеют удовлетворительные механические свойства, но низкую коррозионную стойкость. Поэтому их целесообразно применять для наплавки деталей, подвергающихся незначительным абразивным и усталостным воздействиям в условиях трения скольжения и качения при работе в некоррозионно-активных средах в процессе эксплуатации. Эти материалы могут использоваться при восстановлении валов, цапф, ходовых колес, опорных катков, ножей и т.п.

Углеродистые стали с содержанием свыше 0,4% углерода и конструкционные стали, дополнительно легированные никелем, хромом, ванадием, ниобием, вольфрамом и другими элементами-упрочнителями, обладают в наплавленном состоянии высокой твердостью и могут применяться для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивных абразивных и абразивно-ударных воздействий в малоактивных коррозионных средах. Наиболее целесообразно этими сплавами наплавлять ножи рубительных машин, гарнитуры размольных мельниц, броневых и износных листов и другие детали.

Хромистые стали обладают высокой прочностью и достаточной коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред. Их лучше применять для наплавки деталей, подвергающихся коррозионно-механическому, коррозионно-абразивному, газоабразивному, гидроабразивному и кавитационному изнашиванию.

Хромоникилевые аустенитные стали обладают высокой стойкостью против коррозии, но сравнительно низкой твердостью, поэтому их применяют для наплавки деталей, работающих в агрессивных средах при сравнительно небольших механических воздействиях (плунжеры, корпуса и крыльчатки насосов для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных частиц, детали запорной и регулирующей арматуры и т.п.).

При работе в условиях трения скольжения, особенно при наличии смазки, детали с металлизационными покрытиями могут значительно превосходить по износостойкости наплавленные изделия. Для защиты металлизацией стальных конструкций от коррозии в атмосферных условиях и воде широко применяют алюминий, цинк и их псевдосплавы. Минимальная толщина алюминиевого покрытия, обеспечивающего длительную работоспособность конструкций в морской воде и промышленной атмосфере, составляет 100 мкм.

Наряду с металлическими материалами для придания специальных свойств рабочим поверхностям деталей (высокой износо- и коррозионностойкости) используют различные оксиды и карбиды, наносимые газовым и плазменным напылением. Однако наибольшее распространение для ремонтных работ с применением наплавки и напыления нашли металлические материалы.