Антикоррозионная защита

Метод плазменного напыления покрытий вначале нашел наибольшее применение в изделиях специальной техники. В последнее время метод с высокими технико-экономическими показателями применяется в  машиностроении, энергетике, химической, нефте-газовой, дорожно-строительной, сельскохозяйственной технике; а также на предприятиях городского и коммунального хозяйства. 

Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи .  

Между водоохлаждаемыми катодом и анодом зажигается электрическая сильноточная дуга от источника электропитания. В зависимости от конструкции плазмотрона величина тока может регулироваться технологом от 80 до 600А. В дуговой промежуток подается плазмообразующий газ (аргон, азот, смесь Ar-N2, воздух или другой газ, необходимый для реализации конкретной технологии). При контакте с  дугой газ нагревается, ускоряется и истекает из сопла струей низкотемпературной плазмы. 

Температура струи может регулироваться технологом от 2.103 до 10-15.103К. Скорость струи, в зависимости от режимов может меняться от 200 до 2-3.103 м.с-1. В струю от специального питателя подается порошок, который в струе ускоряется, расплавляется и оседает на подложку, образуя покрытие. Варьируя режимами напыления (ток, расход и состав плазмообразующего газа, размер частит и их расход, а также дистанция напыления)  можно в довольно широких пределах изменять свойства покрытий. 

Характерным отличием процесса плазменного напыления от газопламенного является более высокая температура в плазменной струе, инертность среды и более высокие скорости полета частиц. Эти особенности метода позволяют в широком диапазоне регулировать свойства покрытий и в значительной степени устранять недостатки, присущие газопламенному методу напыления. Например, плазменные покрытия из порошка стали, имеют в 3 раза большую прочность сцепления, чем газопламенные.

Получение покрытий из полимерных материалов плазменными методами является в настоящее время весьма актуальным. С одной стороны, традиционные методы формирования полимерных покрытий (вибровихревой, электростатический) длительны и ограничены в применении по габаритам покрываемых изделий, а с другой стороны, плазменные покрытия из неорганических материалов (металлов, сплавов, керамики) не могут обеспечить необходимый уровень, показателей по целому ряду свойств, например, антикоррозионных и антифрикционных. 

Проведенные нами исследования показали, что низкотемпературная плазменная струя может быть успешно применена для напыления полимерных покрытий. Порошковые полимерные и неорганические материалы существенно отличаются

дисперсным составом, плотностью и теплофизическими свойствами, поэтому специфика плазменного напыления полимеров проявляется на всех стадиях технологического процесса.  

Известно, что при плазменном напылении покрытие формируется на подложке из нагретых и ускоренных в газовом потоке частиц. Причем, металлические частицы,  вследствие высокой теплопроводности, полностью проплавляются в потоке плазмы и дальнейшее их движение  осуществляется в виде жидких сфер, температуры которых практически стремятся к температуре струи. Частицы же полимера, вследствие низкой теплопроводности и наличия релаксационных процессов прогреваются неравномерно по радиусу. Степень их проплавления зависит от природы полимера, его дисперсности и времени пребывания в плазменной струе.  Кроме того, нагрев полимерных частиц в плазменной струе

сопровождается рядом химических превращений, затрагивающих преимущественно поверхностный слой.  

В общем виде плазменное напыление полимерных материалов представляет собой дискретный процесс. При ударе о подложку имеет место деформирование, характер которого обусловлен градиентом температур, а, следовательно, и вязкости по радиусу частицы. Менее вязкий внешний слой обтекает ядро частицы и переносится к поверхности удара, образуя пятно взаимодействия. Вследствие низкого коэффициента теплопроводности частица не успевает закристаллизоваться до момента удара последующей частицы, что создает предпосылки для их сплавления и образования монолитного покрытия непосредственно в процессе распыления.  

Плазменное напыление позволяет получить более высокую адгезионную прочность полимерных покрытий. Упрочнение адгезионного контакта достигается за счет реализации в плазме многих механизмов адгезионного взаимодействия. Помимо увеличения доли химического взаимодействия, усиливается роль реологических факторов. Так, при переходе от шлифованных стальных поверхностей к дробеструйным прочность адгезионных соединений полиэтилен - сталь возрастает от 0,2-0,3 кН/м до 1,2-1,4 кН/м. Еще больший эффект достигается при применении под полимерные покрытия

плазменных подслоев из порошков сплавов ВКНА, СНГН, нихрома и др. В этом случае оценить адгезионные свойства полимерного покрытий не удается, а при использовании метода решетчатого надреза отслоений полимера не наблюдается.  

Разработанные нами ранее технологические процессы плазменного напыления полимерных покрытий использованы для практического применения в качестве антикоррозионной защиты, антиадгезионных слоев, износостойких и уплотнительных систем. 

Плиты  "Полинит" для футеровки бункеров, изготовления трапов, причальных стенок отбойников и узлов морских причалов.

Листы (ТУ 2246-012-50080694-2006.) , получаемые методом прессования, изготавливаются в соответствии с техническими условиями ТУ 2246-001-16442899-2006 и технологическим регламентом ТР-01/АП-Г-05 из высоко структурированного полимера «Полинит» ТУ 2211-153-00203335-2004., предназначены для изготовления деталей и элементов конструкций, подверженных истиранию (ходовые колеса, направляющие, подшипники, опорные втулки, в т.ч. детали внутреннего протезирования, не контактирующие с тканями организма), а также в качестве облицовочного материала в горнодобывающей промышленности, металлургии и транспорте для придания изделиям антиадгезионных, износостойких свойств, уменьшения коэффициента трения (облицовка транспортных желобов, скатов, емкостного оборудования, вагонов, бункеров, кузовов самосвалов и т.п.). Имеется возможность их формовки в виде заготовок и фрагментов сложных конструкций для последующей сборки. 

Перспективность их использования связана с комплексом их уникальных свойств. Основные параметры для химически стойких и технических марок плит приведены в таблице.

Плиты сохраняют свои параметры и эксплуатационные показатели в температурном диапазоне от минус 90оС до 80оС, при влажности до 100% (в том числе морской).  

Плиты сохраняют свои параметры и эксплуатационные показатели вибрационных нагрузок с частотой от1 до 300 Гц и амплитудой дол 0,01 м и  ударных нагрузок с ускорением до 3g. 

Плиты устойчивы к климатическим воздействиям атмосферных осадков, соленого (морского) тумана, воды, в том числе морской и морской капели, солнечной радиации, а также  к циклическим изменениям  температуры, влажности и атмосферного давления.  

Плиты стойки к специальным воздействиям, в том числе радиоэлектронным,  агрессивным газам, моющим средствам, топливу и маслам, другим нефтепродуктам,  химически агрессивным продуктам, кислотам, щелочам, растворам солей, средствам дезактивации, дегазации и дезинфекции.  

Плиты  из высоко структурированного полимера  «Полинит» ТУ 2211-153-00203335-2004 хорошо обрабатываются на стандартном машиностроительном оборудовании. Имеется возможность их формовки в виде заготовок и фрагментов сложных конструкций для последующей сборки.  

Футеровка плитами "Полинит" поверхностей оборудования, соприкасающихся с агрессивными химическими и высокоабразивными материалами. Такая футеровка может проводиться на агрегате полностью, закрывая все его внутренние поверхности, или для наиболее угрожаемых или ответственных зон. Футеровка полинитовыми плитами позволяет исключить контакт конструкционных материалов оборудования с агрессивными средами и агентами, что существенно увеличивает сроки службы силовых элементов и узлов конструкций агрегатов. В то же время высокая стойкость в химически агрессивных и высоко абразивных средах полинитовых плит позволяет увеличивать межремонтные сроки работы, кроме того, ремонтные работы могут проводиться за меньшее время и могут быть унифицированы. Они должны заключаться в снятии выработавших ресурс футеровочных плит и установке на их место новых, которые могли бы изготавливаться заранее в заводских условиях по конструкторской документации и лекалам, разрабатываемым для каждого агрегата. При необходимости подгонка отдельных деталей может проводиться «по месту» при монтаже футеровочного покрытия на конкретном агрегате. Механические свойства высоко структурированного полимера обеспечивают такие возможности. 

Известно, что для футеровки металлических корпусов аппаратов в производстве минеральных кислот применяют различные природные материалы (горные породы андезит, базальт и другие). В частности, методами петрургии из базальтов и диабазов (их переплавкой при температурах 1350-1450 оС) изготавливают пироксеновое литье: трубы, плиты, лотки для защиты рабочих поверхностей бункеров, желобов, узлов горно-обогатительного, металлургического и энергетического оборудования, кислотоупорной плитки и фасонных деталей для химической промышленности, футеровку шаровых мельниц, облицовочные материалы и другие изделия, работающие в условиях воздействия кислот и щелочей или абразивных сыпучих материалов и пульп. Пироксеновое лить обладает хорошей химической стойкостью и малыми потерями при истирании, однако его механическая обработка очень сложна и дорога, поэтому его применение на нестандартном оборудовании представляет большие трудности и требует значительных затрат. В то же время по устойчивости к воздействию агрессивных факторов, являющихся определяющими для технологического процесса эти материалы и изделия из них не имеют существенных преимуществ перед высоко структурированным полимером "Полинит" .   

Для футеровки аппаратов, работающих с растворами агрессивных веществ, используют такие органические материалы, как фторопласт (тефлон), полиэтилен, полипропилен и другие. 

"Полинит" обладает высокими прочностными показателями и химической стойкостью, его можно сваривать непосредственным соединением нагретых листов без применения присадочного материала. Такие листы и сварные конструкции из них могут использоваться для футеровки. 

Полипропилен обладает высокой стойкостью в кислотах и в органических растворителях, из него готовят листы различной толщины, которые широко используют для футеровки химических аппаратов.  

В отечественной и зарубежной промышленности имеется опыт применения футерованных фторопластом-4 насосов, труб и фасонных частей к ним. 

Однако все эти материалы уступают высоко структурированному полимеру "Полинит"  по стойкости в щелочной среде с высокими концентрациями калиевых и натриевых солей, а также стойкости к  абразивному износу,  ударной прочности и устойчивости к растрескиванию.  

В любом случае использование плит "Полинит" создатет более благоприятные условия по обеспечению химической и абразивной стойкости и одновременно снижению металлоемкости и стоимости оборудования.  

Данное предложение основано на оценке физико-химических свойств высоко структурированного полимера , а также результатах проведенного выше анализа. Сочетание низкой плотности, высокой химической стойкости и способности успешно противостоять истиранию рудой, породой и пульпой наряду с возможностью обработки на стандартном машиностроительном оборудовании и хорошие экономические показатели определяют перспективы этого материала. Следует отметить, что выбор между применением футеровки конструкций и изготовлением этих конструкций полностью или частично из  из высоко структурированного полимера определяется, в первую очередь экономическими соображениями и должен осуществляться независимо для каждого конкретного агрегата. В то же время весьма перспективным представляется изготовление из плит "Полинит" малых бункеров, течек, желобов и другого оборудования.  

Первый опыт применения футеровочных плит, полученных методом горячего прессования из высоко структурированного полимера  "Полинит", для футеровки бункера 101 на СКРУ №1 ОАО «Сильвинит»  позволил на практике опробовать приемы монтажа и прочного крепления футеровочных плит внутри бункера, подгонки отдельных элементов футеровки и надежного их соединения между собой. Крепление футеровочных плит к корпусу бункера с помощью стальных полос на сварных соединениях обеспечило плотную подгонку элементов футеровки и  их прочное крепление. В соответствии с выполненными прочностными расчетами, конструкция должна сохранять свою целостность и работоспособность при ударах глыбами породы массой до 50 кг, падающими с высоты более 4 метров.  Полинитовые плиты зарекомендовали себя достаточно технологичным материалом,  который хорошо обрабатывается обычным инструментом при их подгоне для установки в бункере. Эксплуатация бункера с такой футеровкой подтверждает вывод об эффективности антикоррозионной защиты оборудования такого типа предложенным методом. В частности, проведенная ревизия состояния футеровки показала, что после девятимесячной  эксплуатации конструкция полностью сохранила свою целостность. Не отмечено выраженных следов коррозии и износа плит, разрушения узлов крепления.  

Полученный опыт позволяет, как осуществлять как защиту футеровкой отдельных ответственных узлов, оборудования в целом, так и изготавливать полностью из таких плит ответственные детали, узлы и агрегаты.  

Отбойники и причальные стенки.

Покрытия, щиты из высоко структурированного полимера предназначены для повышения эффективности отбойных устройств. Они применяются для облицовки больших поверхностей причальных стенок, пассажирских и грузовых причалов, предназначенных для швартовки сухогрузов, балкеров, танкеров, судов типа «Ро-Ро» и всех судов многоцелевого назначения (универсальных судов).

Щиты "Полинит" отличаются очень низким коэффициентом трения, что позволяет уменьшить усилия сдвига, действующие на поверхность отбойных устройств и портовых сооружений. Они обладают высокой устойчивостью против истирания и поэтому гарантируют длительный срок службы при минимальном техническом уходе.

Отбойные щиты изготавливаются методом горячего прессования в виде плоских пластин (полос) различного размера и толщины. Щиты можно обрабатывать механическим способом: подрезать, шлифовать, сверлить отверстия и т.п. Возможно изготовление щитов с красной или желтой верхней частью для обеспечения лучшей видимости причалов.

Характеристики плит-щитов:

• крайне низкий коэффициент трения
• очень высокая износоустойчивость
• высокое сопротивление удару в экстремальных условиях
• не оставляют следов на корпусе судна
• устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей (солнечных)
• требуют минимального технического ухода
• позволяют строить более легкие портовые сооружения
• снижают потребность в использовании цепей
• повышают эффективность отбойных устройств
• имеют различную окраску

С учетом рабочих нагрузок и режимов работы могут быть выбраны такие детали и агрегаты, которые могли бы быть полностью изготовлены  из высоко структурированного полимера. При необходимости такие агрегаты можно усиливать армирующими элементами. В любом случае такой подход должен создать более благоприятные условия по обеспечению химической и абразивной стойкости и одновременно снижению металлоемкости и стоимости оборудования.

Характеристика ожидаемого результата антикоррозионной защиты.

Проведенные исследования показали, что по комплексу технических, технологических и экономических показателей в настоящее время наиболее перспективным методом антикоррозионной защиты является создание покрытий на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена со специальными добавками и при соответствующей подготовке обрабатываемых поверхностей. В настоящее время найдены подходы к решению задачи создания сплошных покрытий из этого материала, имеющих высокую адгезию к металлическим поверхностям на основе использования газотермических методов напыления порошков. В указанном направлении компанией «ПОЛИНИТ» систематически выполняются поисковые и экспериментальные работы.

Промышленные образцы с защитным покрытием, выполненные с использованием различных композиционных составов на основе высоко структурированного полимера «ПОЛИНИТ», в соответствии с имеющимися технологическими наработками, успешно прошли испытания на многих предприятия промышленности России.

На  ГУП завод «Электроприбор» в феврале 2005 года проведены климатические испытания покрытых  из высоко структурированного полимера толщиной 0,3 – 0,5мм образцов изготовленных из волокнистых композиционных материалов. Покрытия испытаны

• на воздействие повышенной температуры среды по методике 5.1 ГОСТ РВ2057306-98 при температурах рабочая +55 о С, предельная  +70 о С,
• на воздействие пониженной температуры среды по методике 5.2.  ГОСТ РВ 2057306-98,
• на воздействие повышенной влажности по пункту 5.3. методу №1 при относительной влажности 98% и температуре +50 о С ГОСТ РВ 2057306-98,
• на воздействие изменения температуры среды повышенной влажности по пункту 5.4. методу №1 при изменении температуры от +30 о С до -50 о С ГОСТ РВ 2057306- 98,
• на воздействие соляного тумана по пункту 5.12. при температуре +35 о С ГОСТ РВ 2057306-98.

Испытания показали, что покрытия  из высоко структурированного полимера "Полинит" толщиной 0,3 – 0,5мм, нанесенные на образцы из волокнистых композиционных материалов, выдержали воздействие климатических факторов и могут использоваться в аппаратуре морской техники. 

Имеющиеся данные по устойчивости материала к внешним воздействиям подтверждены результатами испытаний, проведенных лабораторией антикоррозионной защиты ОАО «Сильвинит». Так,  были проведены испытания по ГОСТ 9.401 (метод 20 «Стойкость к воздействию изменений температуры, повышенной влажности, соляного тумана и сернистого газа»), СТП 64-2002 «Методика определения стойкости лакокрасочных покрытий к воздействию растворов хлористого натрия и обледенению» и СТП 66-2002 «Методика определения стойкости лакокрасочных покрытий к попеременному увлажнению и высыханию» (в течение 2880 часов), а также дополнительные испытания по ГОСТ 9.403 (в течение 1440 часов) на стойкость в 42%-м растворе MgCl2 при температуре(20+ 2)оС,  на стойкость в 10% растворе соляной кислоты (20+ 2)оС,  и на стойкость к щелоку (KCl-11,6% NaCl-19,5%  MgCl2-0,48% CaSO4-0,48%   H.O.-0,03%) при температуре +105оС. Эти испытания дали положительные результаты. В частности, они показали, что образы, изготовленные  из высоко структурированного полимера , не набухают в указанных средах и не крошатся.  

ОАО «Химпром» - в среде соляной кислоты и хлорпарафина на соответствие требованиям ГОСТ 12020-72 с изменениями 1-3 Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред. Аналогичные образцы успешно прошли испытания в ФГУП «Научно-исследовательский центр по испытаниям и доводке автомототехники» на устойчивость к воздействию сырой нефти (Тавельского месторождения), этанолов и гликолей (производства ОАО «Казаньоргсинтез»).

Применение композиционных структур (металло-полимеров и керамо-полимеров)  на основе высоко структурированного полимера  в покрытии, рациональное сочетание композиций и подбор материалов по  коэффициентам термического расширения - снижает уровень остаточных напряжений и исключает растрескивание покрытия, отслаивание и образование трещин, а также значительно увеличивает адгезию покрытия с основой.

Технологический процесс плазменного напыления  из высоко структурированного полимера и композиций на его основе используется для нанесения антикоррозионных, антифрикционных, износостойких покрытий, для осуществления которого применен специальный генератор плазмы – высокоэнтальпийный воздушный плазмотрон (ВЭВП).  

В течение 2005-2008 годов проведен большой объем экспериментальных работ по созданию и исследованию экспериментальных установок ВЭВП, результаты которых указывают на наличие реальных перспектив отработки и реализации с помощью таких систем прецизионных технологических процессов нанесения тонких пленок широкого спектра материалов.

Разработанные научно-технические основы позволят осуществить разработку перспективной экономичной и гибкой технологии выполнения антикоррозионной защиты как новых, так и эксплуатируемых металлоконструкций причалов, и главным образом, в полевых условиях. 

При выполнении ПРОЕКТА будут получены следующие результаты:

• увеличение срока службы металлоконструкций действующих сооружений;
• снижение затрат на осуществление ремонтно-эксплуатационного обслуживания оборудования,
• повышение технологичности и удобства ремонтно-эксплуатационного обслуживания оборудования,
• унификация процессов ремонтно-эксплуатационного обслуживания, используемого оборудования и материалов,
• снижение риска несчастных случаев за счет увеличения надежности  металлоконструкций;

В целом комплекс указанных факторов подтверждает реальность получения предполагаемых результатов с учетом активного и творческого использования квалифицированным коллективом серьезного научного задела, созданного по этому направлению в Российской Федерации.