Азотная промышленность

Міністерство освіти, молоді та спорту України

ДВНЗ Український державний  хіміко-технологічний університет

 

 

 

 

 

Кафедра ОТХВ

 

 

 

 

 

 

КУРСОВА РОБОТА

 

з дисципліни «КАЗО»

 

на тему: Аналіз корозійно-механічних руйнувань                             конструкційних матеріалів та розробка антикорозійного                           захисту обладнання азотного виробництва

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконав:                                                                           ст. гр. 4 – ХОМ(т) – 11

                                                                                                            Бабурін С.П.

 

Перевірив:                                                                           зав. каф. проф., к.т.н.

                                                                                                         Тищенко Г. П.

 

 

 

 

 

 

 

Дніпропетровськ

2012 
РЕФЕРАТ

 

Были изучены состояние и  агрессивность среды в азотной промышленности, факторы которые ускоряют коррозию и износ.

Предложены организационно-технические  и химико-технологические методы защиты от коррозии, варианты рационального конструирования и модернизация оборудования, комплексная антикоррозионная защита оборудование азотной промышленности.

Был сделан подбор коррозионно-устойчивых материалов и нанесение тонких покрытий химически устойчивых металлов или протекторная защита более активных металлов.

Сделаны выводы и даны рекомендации по повышению технического уровня производства, эксплуатации, надежности оборудования данной отрасли.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                               

1. Виды коррозионных и коррозионно-механических разрушений, конструкционных материалов                                                                                  5

1.1 Анализ агрессивной среды производства данной отрасли                              8

1.2 Характерные виды коррозии и износа                                                             10

1.3 Факторы ускоряющие  коррозию и износ                                                       14

1.4 Выводы                                                                                                               17

2.  Разработка  антикоррозионной защиты оборудования данной отрасли        18

2.1 Виды коррозионностойких материалов                                                          21

2.2 Выбор химическо-стойких  неметаллических материалов                           23

2.3 Выбор модификаторов  коррозии                                                                     27

2.4 Выбор ремонтно-реставрационных  материалов                                             29

2.5 Выбор антикоррозионных  покрытий (металлополимерные, полимерные  и

      и стеклоэмалевые)                                                                                             30

2.6 Выбор износостойких материалов и покрытий                                              33

2.7 Выбор специальных покрытий  в данной отрасли                                         36

2.8  Применение технологии укрепления поверхностей                                    38

2.9  Разработка  химико-технологических методов  снижения коррозии и 

       износа                                                                                                                 42

2.10 Разработка организационно-технических методов снижения коррозии   42

2.11  Разработка  вариантов рационального конструирования                            43

2.12  Выбор эффективных ингибиторов  коррозии                                               48

2.13  Разработка вариантов электро-химической  защиты оборудования          51

2.14  Выводы                                                                                                            53

3.  Выводы. Производственные рекомендации по повышению

     эксплуатационной  надежности                                                                       55

ЛИТЕРАТУРА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Во всех индустриально  развитых странах азотная промышленность является в настоящее время одной  из основных ведущих отраслей. Доказательством этого служат цифры, характеризующие стремительный рост производство связанного азота. В 1955г во всем мире было произведено аммиака около 8 млн. т, в 1965г - 20 млн. т, в 1975г - 66 млн. т, в 1980г - 100 млн. т, в 1985 - 120 млн. т. Такое бурное развитие азотной промышленности диктуется в первую очередь необходимостью удовлетворения неудержимо растущего населения земного шара продуктами земледелия. Без минеральных удобрений, и в первую очередь азотных, невозможно решить задачи интенсификации сельского хозяйства. Производству азотных удобрений и их основы, аммиака, в нашей стране всегда уделялось первостепенное внимание. Среднегодовой прирост темпа аммиака за последние 20 лет составлял 10-19%. Производство аммиака, как известно, отличается большой энергоемкостью.

В настоящее время  азотная промышленность в качестве сырья использует природный газ (технология получения аммиака из природного газа широко внедряется). Это  позволит обеспечить наиболее рациональное размещение промышленности азотных удобрений по территории страны, приблизить производство к районам потребления, использовать местные виды сырья, топлива и дешевой энергии.

Историю развития производства аммиака можно рассматривать  как борьбу за повышение полезного  использования электрической, тепловой, и механической энергии. На первых установках производства аммиака к. п. д. на превышал 10-11%. Использование природного газа в производстве аммиака увеличило общий энергетический к. п. д. до 40%. Современные энерготехнологические агрегаты аммиака практически автономны и имеют производительность 450-500 тыс. т. в год и общий энергетический КПД 50-52%.

Это обеспечено достижениями химической технологии, химического и энергетического  машиностроения, металлургической и  приборостроительной промышленности, а также высокой квалификацией строителей, монтажников, эксплуатационников.

 

 

 

 

 

1.  Виды коррозионно-механических разрушений, конструкционных

     материалов

Коррозия - это разрушение сталей и сплавов в результате химического и электрохимического взаимодействия с агрессивной средой, обусловленное термодинамическим состоянием металла. Процессы протекают в гетерогенных системах, т.е. на границах раздела металл-электролит, металл-газовая среда и на границах в самом металле. Электрохимическая коррозия обусловлена образованием двойного электролитного слоя (металл-электролит), скачком потенциала на границе их раздела и определяется следующими стадиями:

- адсорбция коррозионно-активных  ионов (молекул) на поверхности  металлов; 
- ионизация металлов и восстановление окислительного компонента электролита; 
- образование и отвод продуктов коррозии.

По видам (механизмам) коррозию классифицируют следующим образом:

- коррозия в электролитах (солевая, кислотная, щелочная);

- коррозия под напряжением;

- коррозия при кавитации;

- щелевая коррозия;

- контактная коррозия (контактом металлов различных потенциалов);

- газовая высокотемпературная  коррозия.

По особенностям коррозионного  поведения различают общую и  молекулярную коррозию. Молекулярная проявляется в виде питтингов, язв, избирательного растворения фаз, межкристаллитного (транскристаллитного) разрушения и коррозионного растрескивания.

Общая коррозия в азотной промышленности охватывает практически всю поверхность металла, находящегося в контакте с электролитом, разрушение характеризуется равномерной скоростью растворения. Коррозию регулируют три основных процесса: анодный, переход электролита от анода к катоду и катодный. Механизм коррозии предполагает наличие на поверхности металла электрохимической неоднородности (присутствие разнородных атомов в кристаллической решетке, сегрегация легирующих элементов и примесей, наличие зон различных уровней свободной энергии и т.д.).

Коррозионное растрескивание сталей и сплавов происходит в средах, содержащих сероводород, аммиак, диоксид углерода, в щелочных, кислых, хлоридных и других растворах. Превалирующими факторами, способствующими развитию разрушений металлов, является совокупность растягивающих напряжений, пластических деформаций, структурно-химический состав и коррозионная среда. Коррозионное растрескивание характерно для хромоникелевых сталей.

Другой вид разрушений в азотной отрасли может происходить по причине водородной хрупкости, типичной для высокопрочного состояния (стали мартенситного класса и материалы, склонные к пассивации).

Воздействие коррозионно-активной среды на стали и сплавы можно  представить двумя механизмами  коррозии:

-  образование трещины и ее развитие, которое активизирует анодное растворение металла в устье трещины;

-  зарождение трещины в результате адсорбции атомарного водорода на поверхности, сопровождающееся его диффузией в металл. Наводораживание стали приводит к потере пластичности и хрупкому разрушению вследствие растягивающего напряжения.

Причины, обуславливающие растрескивание:

-  пониженная коррозионная стойкость границ и прилегающих областей зерен в электролите;

-  сегрегация элементов (P, As, Sb, Bi), вызывающих МКК в закаленном состоянии;

-  химическая активность сред.

Предупреждение этого  вида коррозии: снижение растягивающих напряжений; предупреждение попадания в коррозионную среду ионов CL, KOH, NaOH и др.; катодная защита оборудования.

Межкристаллитная коррозия (МКК) заключается в быстром селективном растворении границ зерен металла, которая сопровождается снижением прочности и пластичности изделий. Причиной МКК является термическое воздействие, приводящее к электрохимической гетерогенности между приграничными зонами и объёмом зерна. В коррозионностойких сталях и сплавах различают следующие виды коррозии:

-  разрушения, связанные с обеднением приграничных областей зерен, обуславливают коррозионную стойкость материала в данной среде;

-  коррозия, вызываемая низкой химической стойкостью избыточных фаз на границах зерен;

-  процесс разрушения границ зерен в результате сегрегации поверхностно-активных элементов, снижающих стойкость основы в электролите.

Возникновение МКК в хромоникелевых сталях обусловлено выделением карбидов хрома Cr23C6, Cr7C3. При 650-700 °С вокруг карбидов образуется сплошная зона с пониженным содержанием Cr шириной 0,8 мкм. Соответственно теории обеднения границ зерен при сенсибилизации сталь склонна к этому виду коррозии, когда концентрация Cr снижается до 12%, металл теряет коррозионную стойкость.

Распространенным способом борьбы с МКК является легирование  стали стабилизирующими элементами (Ti, Nb, Ta) с более высоким сродством  к углероду, чем Cr. Эти присадки предупреждают выделение карбидов хрома, связывая углерод в самостоятельные карбиды TiC, NbC, TaC.

Питтинговая (точечная) коррозия в азотной отрасли заключается в образовании на поверхности металла мелких разобщенных поражений, называемых питтингами. Этот вид разрушений принадлежит к одному из наиболее опасных видов локальной коррозии. При малых потерях массы металл подвергается глубоким поражениям, в короткий срок приводящим к сквозным дефектам.

Необходимым условием питтингообразования  является присутствие в коррозионных средах активизирующих галоидных ионов (CL^-, F^- и др.). Они адсорбируются на пассивной стали, разрушая окисную защитную пленку, при этом активные поверхности сопровождаются зарождением питтингов.

Коррозия возникает  на избыточных фазах (неметаллические включения, карбиды и др.), скопления дислокаций, дефектах после механической обработки (задиры, окалина, след реза после точения и др.). Поверхность питтинга растворяется в коррозионных средах со скоростью нескольких тысяч монослоев в секунду, в отличие от прилегающей области металла.

Пути снижения склонности сталей и сплавов к питтинговой  коррозии: термическая обработка, металлургические способы (легирование, модифицирование), пластическая деформация, шлифование, полирование с последующей пассивацией.

Щелевая коррозия протекает в зазорах (щелях) при сочленении деталей и узлов машин, работающих в агрессивных и атмосферных средах. Коррозия развивается с большой скоростью и представляет высокую опасность для конструкции и аппаратов. Разрушение по данному механизму связывают с изменением электрохимических условий в местах, где затруднены доступ электролита и отвод продуктов коррозии.

Предупредить щелевую  коррозию можно легированием нержавеющих  сталей молибденом. Весьма важным фактором является рациональное проектирование узлов машин и конструкций, исключающее образование застойных зон, зазоров, карманов, щелей и др.

Оборудование предприятий, где  протекает азот подвержено общей питтинговой, межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Из статистики отказов машин и аппаратов следует, что 31,5% разрушений вызвано общей коррозией, по причине коррозионного растрескивания – 21,6%, на долю питтинговой и межкристаллитной приходится 15,7% и 10,2%. Процессы коррозии приносят колоссальные убытки: США ежегодно расходует до 40% производимого металла, СНГ – 25 млн. т. сталей и сплавов.

Поверхности деталей, находящиеся  в непосредственном контакте с газообразными  и жидкими агрессивными средами  различного состава, при различных  температуре и скорости относительного движения, и коррозионной активностью изнашиваются весьма интенсивно.

Одновременно с коррозионным воздействием среды поверхность  многих деталей подвергается локальным механическим нагрузкам, возникающим при трении и других видах взаимодействия сопрягаемых поверхностей, износу твердыми абразивными частицами, динамическому воздействию потока жидкости и т.п. Все это приводит к преждевременному выходу оборудования из строя вследствие интенсивного развития процессов коррозии и изнашивания рабочих поверхностей.

Необходимое условие для обеспечения требуемой длительности межремонтной эксплуатации оборудования — правильный выбор конструкционных материалов. Эти материалы должны обладать, прежде всего, достаточно высокой стойкостью против коррозии и изнашивания в агрессивных средах (ГОСТ 5272-68 и ГОСТ 23002-87).

Реальный путь повышения  работоспособности оборудования —  защита металлов от коррозии с помощью  антикоррозионных покрытий. Достигнутые  успехи в этой области хотя и бесспорны, однако те потери металлов, которые  все еще имеются, заставляют искать новые, более эффективные пути борьбы с разрушениями. Поиск их связан с глубоким изучением факторов, определяющих интенсивность развития коррозионных процессов, и разработкой новых способов нанесения коррозионностойких, износостойких и антифрикционных покрытий.

 

1.1  Анализ агрессивной среды производства данной отрасли

 

Металлические конструкции азотной промышленности, работающие в условиях одновременного воздействия агрессивных сред и механических напряжений, подвергаются более сильному разрушению.

В химической промышленности можно  найти многочисленные примеры совместного  влияния этих двух факторов.

Процессы синтеза аммиака, мочевины, метилового спирта протекают в агрессивных  средах, в условиях повышенных температур при движении газового потока под  давлением 35-40 МПа.

Вибрационные сита, грохоты, фильтры  работают в условиях коррозионно-активной среды и механических нагрузок.

Коррозионному растрескиванию подвержены выпарные аппараты, трубопроводы, автоклавы  и др. аппараты.

Не менее опасное разрушение металла имеет место при одновременном  воздействии на него агрессивной  среды и переменных нагрузок. Такой вид воздействия испытывают компрессоры и насосы, роторы, диски и лопатки турбин и т.д.

Различают два вида механических напряжений — внутренние и внешние. Внутренние напряжения возникают при термической  и механической обработке деталей, при сварке. Внешние, приложенные извне напряжения, могут быть статическими и переменными.

Под влиянием механических напряжений меняется структура поверхностного слоя металла, что может вызвать  изменение потенциала на его отдельных  участках, разрушение защитных пленок, и как следствие этого — изменение скорости коррозии.

Различают следующие  виды коррозионного разрушения металла  под воздействием механических нагрузок:

• коррозионное растрескивание;
• коррозионная усталость;
• коррозионная кавитация;
• коррозионная эрозия или фреттинг-коррозия.

Коррозионные разрушения не относятся к процессам локальной коррозии, но имеют с ними множество общих черт. Коррозионно-усталостные процессы или процессы при статической коррозии под напряжением сопровождаются возникновением трещин, при фреттинг-коррозии отмечают образование питтинга.

Коррозионные процессы, при механических нагрузках протекающие через три последовательные стадии: инкубационный период, отвечающий отсутствию видимых разрушений; период образования очагов коррозии; период быстрого масштабного разрушения.

Наличие механических напряжений в металле, лежащих в упругой  области или связанных с деформацией, приводит к нарушению сплошности защитных пленок. Обычно растягивающие  или сжимающие напряжения мало влияют на скорость равномерной коррозии. Если под действием коррозионной среды происходит локализация механического фактора, то это приводит к быстрому разрушению конструкции.

Протекание коррозионного растрескивания под напряжением происходит при  совместном действии коррозионной среды  и механических воздействий. В начальный период зарождение трещины происходит в результате растрескивающего действия при хемосорбции активных ионов коррозионной среды. Зарождение трещин может быть связано с возникновением туннелей (размером порядка 0,05 мкм) и питтиингов на участках металла, имеющего дефекты, например, на границах зерен, включениях, скоплениях дислокаций. Развитие трещины и разрыв происходят при превалирующем влиянии механического фактора.

 

1.2  Характерные виды коррозии и износа

 

1.  По виду (геометрическому характеру) коррозионных разрушений на поверхности или в объёме металла.

Коррозия, захватившая всю поверхность металла, называется сплошной. Сплошную коррозию делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинакова ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна, язвы и точки (питтинг). Точечные поражения могут дать начало подповерхностной коррозии. распространяющейся в стороны под очень тонким (например, наклёпанным) слоем металла, который затем вздувается пузырями или шелушится. Наиболее опасные виды местной коррозии — межкристаллитная (интеркристаллитная), которая, не разрушая зёрен металла, продвигается вглубь по их менее стойким границам, и транскристаллитная, рассекающая металл трещиной прямо через зёрна. Почти не оставляя видимых следов на поверхности, эти поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции. Близка к ним по характеру ножевая коррозия, словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва при эксплуатации некоторых сплавов в особо агрессивных растворах. Иногда специально выделяют поверхностную нитевидную коррозию, развивающуюся, например, под неметаллическими покрытиями, и послойную коррозию, идущую преимущественно в направлении пластической деформации. Специфична избирательная коррозия, при которой в сплаве могут избирательно растворяться даже отдельные компоненты твёрдых растворов (например, обесцинкование латуни).

2.  По механизму реакций взаимодействия металла со средой (химическая и электрохимическая коррозия).

Коррозия является химической, если после разрыва металлической  связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая коррозия возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является электролитом (газовая коррозия, коррозия в неэлектропроводных органических жидкостях). Скорость её чаще всего определяется диффузией частиц металла и окислителя через поверхностную плёнку продуктов коррозии (высокотемпературное окисление большинства металлов газами), иногда — растворением или испарением этой плёнки (высокотемпературное окисление W или Mo), её растрескиванием (окисление Nb при высоких температурах) и изредка — конвективной доставкой окислителя из внешней среды (при очень малых его концентрациях).

Коррозия является электрохимической, если при выходе из металлической  решётки образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а  с другими компонентами коррозионной среды; окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Такой процесс возможен в тех случаях, когда в окружающей среде существуют два типа реагентов, из которых одни (сольватирующие или комплексообразующие) способны соединяться устойчивыми связями с катионом металла без участия его валентных электронов, а другие (окислители) могут присоединять валентные электроны металла, не удерживая около себя катионы. Подобными свойствами обладают растворы или расплавы электролитов, где сольватированные катионы сохраняют значительную подвижность. Таким образом, при электрохимической коррозии удаление атома из металлической решётки (что составляет суть любого коррозионного процесса) осуществляется в результате двух независимых, но сопряжённых, связанных между собой электрическим балансом, электрохимических процессов: анодного — переход сольватируемых катионов металла в раствор, и катодного — связывание окислителем освобождающихся электронов. Отсюда следует, что процесс электрохимической коррозии можно замедлить не только путём непосредственного торможения анодного процесса, но также воздействуя на скорость катодного. Наиболее распространены два катодных процесса: разряд водородных ионов (2е + 2H+ = H₂) и восстановление растворённого кислорода (4e+O₂+4H+ = 2H₂O или 4e+O₂+2H₂O =4ОН^-), которые часто называют соответственно водородной и кислородной деполяризацией.

Анодный и катодный процессы с той  или иной вероятностью и в той  или иной последовательности протекают  в любых точках металлической  поверхности, где катионы и электроны могут взаимодействовать с компонентами коррозионной среды. Если поверхность однородна, то катодные и анодные процессы равновероятны по всей её площади; в таком идеальном случае коррозию называют гомогенно-электрохимической (таким образом, отсутствие какой-либо неоднородности в распределении вероятности электрохимических процессов в любой точке поверхности, что, конечно, не исключает термодинамической гетерогенности взаимодействующих фаз). В действительности на металлических поверхностях существуют участки с различными условиями доставки реагирующих компонентов, с разным энергетическим состоянием атомов или с различными примесями. На таких участках возможно более энергичное протекание либо анодного, либо катодного процессов, и коррозия становится гетерогенно-электрохимической.

3.  По типу коррозионной среды

Некоторые коррозионные среды и  вызываемые ими разрушения столь  характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы.

Как правило, металлические изделия и конструкции подвергаются действию многих видов коррозии - в этих случаях говорят о действии так называемой смешанной коррозии.

Газовая коррозия – коррозия в  газовой среде при высоких  температурах.

Атмосферная коррозия – коррозия металла в условиях атмосферы при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита (особенно в присутствии агрессивных газов или аэрозолей кислот, солей и т.д.). Особенностью атмосферной коррозии является сильная зависимость ее скорости и механизма от толщины слоя влаги на поверхности металла или степени увлажнения образовавшихся продуктов коррозии.

Жидкостная коррозия – коррозия в жидких средах. По условиям воздействия  жидкой среды на металл этот тип  коррозии также характеризуется  как коррозия при полном погружении, при неполном погружении, при переменном погружении, имеющие свои характерные особенности.

Подземная коррозия – коррозия металла в грунтах и почвах. Характерной особенностью подземной  коррозии является большое различие в скорости доставки кислорода (основной деполяризатор) к поверхности подземных конструкций в разных почвах (в десятки тысяч раз).

4.  По характеру дополнительных воздействий

Коррозия под напряжением развивается  в зоне действия растягивающих или  изгибающих механических нагрузок, а также остаточных деформаций или термических напряжений и, как правило, ведёт к транскристаллитному коррозионному растрескиванию, которому подвержены, например, стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. При знакопеременных нагрузках может проявляться коррозионная усталость, выражающаяся в более или менее резком понижении предела усталости металла в присутствии коррозионной среды. Коррозионная эрозия (или коррозия при трении) представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.). Родственная ей кавитационная коррозия возникает при кавитационных режимах обтекания металла агрессивной средой, когда непрерывное возникновение и «захлопывание» мелких вакуумных пузырьков создаёт поток разрушающих микрогидравлических ударов, воздействующих на поверхность металла. Близкой разновидностью можно считать и фреттинг-коррозию, наблюдаемую в местах контакта плотно сжатых или катящихся одна по другой деталей, если в результате вибраций между их поверхностями возникают микроскопические смещения сдвига.

Утечка электрического тока через границу металла с агрессивной средой вызывает в зависимости от характера и направления утечки дополнительные анодные и катодные реакции, могущие прямо или косвенно вести к ускоренному местному или общему разрушению металла (коррозия блуждающим током). Сходные разрушения, локализуемые вблизи контакта, может вызвать соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих замкнутый гальванический элемент, — контактная коррозия. В узких зазорах между деталями, а также под отставшим покрытием или наростом, куда проникает электролит, но затруднён доступ кислорода, необходимого для пассивации металла, может развиваться щелевая коррозия, при которой растворение металла в основном происходит в щели, а катодные реакции частично или полностью протекают рядом с ней на открытой поверхности.