Газопламенное напыление. 2

Введение………………………………………………………………3

Газотермическое напыление………………………………………...4

Преимущества технологии напыления……………………………..7

Недостатки…………………………………………………………….8

Порошки для газотермического напыления……………………….8

Применение………………………………………….……………….12

Список литературы………………………………………………….15

Введение.

Коррозия технологического оборудования является одной из важнейших проблем, с которой приходится сталкиваться при его эксплуатации. Коррозия зависит от многих факторов: от концентрации H₂S и CO₂, степени насыщения раствора, температуры, наличия абразивных примесей и т.д.

Основными агрессивными веществами являются кислые газы. Взаимодействие сероводорода со сталью приводит к  образованию нерастворимого в растворе сернистого железа. Диоксид углерода в присутствии воды вступает в  реакцию с железом с образованием бикарбоната железа, который при  нагревании раствора переходит в  нерастворимый карбонат железа, последний  осаждается на стенках аппаратов  и трубопроводов. Коррозия ускоряется в зоне парокапельной эрозии, на сварных швах.

Коррозии оборудования также  способствует накопление в растворе твердых частиц, которые разрушают  защитные пленки, вызывают эрозию металла. Такими твердыми частицами являются сульфид железа, окись железа, пыль, песок, прокатная окалина, которые  попадают в колонны вместе с потоком  нефтепродуктов.

Оборудование нефтегазоперерабатывающих  установок помимо общей коррозии подвергается и другому виду разрушения - коррозионному растрескиванию. Зарегистрированы случаи появления коррозионных трещин в абсорберах, десорберах, теплообменниках, трубопроводах.

Стандартными методами предотвращения указанных опасных факторов принято  считать изготовление аппаратов  из нержавеющей стали или биметаллов. Известными недостатками такого решения  являются не только высокая стоимость  материального исполнения аппаратов, но и постоянно возникающие проблемы коррозии сварных швов. Ингибирование  и электрохимическая защита не всегда применимы, а полимерные покрытия работоспособны только при температуре не более 150-200 °С и подвержены коррозии под  изоляцией. К сожалению, при разработке проектов антикоррозионной защиты проектировщики нередко забывают о такой альтернативе, как газотермическое напыление  металлических покрытий.

Нанесение антикоррозионных плакирующих покрытий на внутренние поверхности корпусов газо- и нефтеперерабатывающих  установок и резервуары и сосуды для хранения нефти и продуктов  нефтепереработки производится с использованием газотермических методов напыления в как в условиях изготовления, так и в условиях эксплуатации данных объектов. Напылением могут наноситься такие материалы, как нержавеющие стали, алюминий, цинк, и их сплавы, монель, инконель, хастелой, твердосплавные материалы.

Газотермическое напыление  этот вид напыления характеризуется своей простотой, технологической доступностью и компактностью. Газотермическое напыление дает стойкие антикоррозионные, жаростойкие, электроизоляционные, износостойкие покрытия. Существуют дуговые и газоплазменные способы нанесения покрытий. Дуговые способы покрытия энергетически выгодны, однако пригодны лишь для распыления металлических стержней. Для порошковых материалов приемлем только газопламенный способ. Перед началом напыления поверхность деталей необходимо очищать механическим, а если потребуется, то и химическим путем. Ввиду того, что в данном разделе речь идет только о газопламенном напылении, скажем, что в данной области используются установки и аппаратура порошкового и проволочного типов.

Принцип работы установки  основан на сжигании топлива в  специальной камере сгорания с получением на выходе газовой струи, имеющей  скорость до 2500 м/сек. Порошковый материал, подаваемый в газовый поток, разогревается  и разгоняется до скоростей ~700…800 м/сек. Попадая на изделие, частицы  порошка, обладающие высокой кинетической энергией, образуют плотное покрытие с высокими адгезионными характеристикам. Объемная доля воздуха в покрытии составляет не более 1%, а прочность  сцепления с основой превышает 80МПа. Покрытие является многослойным, поэтому сквозная пористость отсутствует. Преимущество данного метода также  заключается в том, что метод  условно можно назвать "холодным", т.е. при нанесении покрытий не происходит нагрева деталей выше 120…150°С. Данный факт позволяет избежать каких-либо фазовых превращений в основном металле при нанесении покрытий.

Газотермическое напыление.

Газотермическое напыление  – это процесс нагрева, диспергирования  и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым  или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала.

Успешное решение задач  повышения эффективности общественного  производства и перевода экономики  страны на путь преимущественно интенсивного развития тесно связано с ускорением научно-технического прогресса. Необходимо создать принципиально новые  виды техники и технологии, существенно  повысить производительность труда  во всех отраслях народного хозяйства. В этих условиях особое значение приобретают  проблемы надежности и долговечности  машин и механизмов, экономного использования  материалов, энергии и трудовых ресурсов. Их решение неразрывно связано с  обеспечением эффективной защиты поверхности  деталей и конструкций от коррозии и износа.

Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что  использование объемно-легированных материалов, являвшееся в последнее  столетие основным способом решения  этой задачи, становится все более  проблематичным из-за истощения запасов  легирующих элементов. Кроме того, по мере развития и совершенствования  техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности  среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев  удовлетворить комплекс этих требований. В связи с этим экономически и  технически целесообразно развивать  принципиально новый подход к  выбору материалов уже на стадии проектирования. Механическая прочность детали гарантируется  за счет применения одного материала, а специальные свойства поверхности  обеспечиваются сплошным или локальным  формированием на ней тонких слоев  других материалов – покрытий. В  результате обеспечивается повышенная долговечность детали, сочетающаяся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий.

Вышесказанное объясняет  все возрастающий интерес к проблеме защитных покрытий, определяет значение разработки и практического применения технологии покрытий различного назначения в современных условиях.

Для решения вопросов защиты поверхности деталей от абразивного, коррозионного, механического износа и износа при трении скольжения, высокотемпературной газовой коррозии, а также для ремонта с одновременным  повышением эксплуатационных свойств  поверхности нашли широкое применение защитные покрытия, наносимые различными методами газотермического напыления. С помощью напыления можно  создавать надежную защиту поверхностей изготовленных деталей машин  и крупных стальных конструкций. Кроме того, способы напыления  позволяют восстанавливать дорогостоящие детали с относительно небольшими затратами материала, времени и денежных средств, что дает значительную экономию металла. К группе промышленно развитых методов газотермического напыления относят электродуговое (металлизация), высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное, плазменное и детонационное напыления. Все они объединены единым принципом формирования покрытия из отдельных частиц, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи. Структура покрытий, полученных этими методами, слоистая, образована дискретными частицами с более или менее ярко выраженными границами раздела.

В последние годы было затрачено  много усилий на создание новых более  производительных распылительных аппаратов  и новых материалов для нанесения  покрытий, а также автоматизацию  этих процессов, что значительно  снизило себестоимость нанесения  покрытий и расширило область  их применения.

Под общим названием газотермическое  напыление (ГТН) объединяют следующие  методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное  напыление, плазменное напыление, напыление  с оплавлением, и электродуговая металлизация.

Сравнение методов

• Высокоскоростное газопламенное напыление широко применяется для создания плотных металлических и металлокерамических покрытий;
• Детонационное напыление – в силу дисперсного характера напыления и малой производительности наиболее подходит для напыления покрытий для защиты и восстановления небольших участков поверхности;
• Распыление с помощью плазмы обычно называют плазменным напылением. Энергозатратный метод, наиболее оправдано его применение для создания керамических покрытий из тугоплавких материалов;
• Электродуговая металлизация энергетически более выгодна, однако позволяет напылять только металлические материалы. Как правило, используется для напыления антикоррозионных металлических покрытий на больших площадях;
• Газопламенное напыление – недорогой во внедрении и эксплуатации метод, широко используемый для восстановления геометрии деталей;
• Напыление с оплавлением – метод, обеспечивающий металлургическую связь покрытия с основой. Применяется, если высокий нагрев при оплавлении не ведет к риску термических поводок детали либо такой риск считается оправданным.

Преимущества  технологии напыления.

Напыление представляет собой  процесс нанесения покрытия на поверхность  детали с помощью высокотемпературной  скоростной струи, содержащей частица  порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном металле при ударном  столкновении с его поверхностью.

1. Возможность нанесения  покрытий на изделия, изготовленные  практически из любого материала.

2. Возможность напыления  разных материалов с помощью  одного и того же оборудования.

3. Отсутствие ограничений  по размеру обрабатываемых изделий.  Покрытие можно напылить как  на большую площадь, так и  на ограниченные участки больших  изделий.

4. Возможность применения  для увеличения размеров детали (восстановление и ремонт изношенных  деталей машин).

5. Относительная простота  конструкции оборудования для  напыления, его малая масса,  несложность эксплуатации оборудования  для напыления, возможность быстро  и легко перемещаться.

6. Возможность широкого  выбора материалов для напыления.

7. Небольшая деформация  изделий под влиянием напыления.  Многие способы поверхностной  обработки изделия требуют нагрева  до высокой температуры всего  изделия или значительной его  части, что часто становится  причиной его деформации.

8. Возможность использования  напыления для изготовления деталей  машин различной формы.

9. Простота технологических  операций напыления, относительно  небольшая трудоемкость, высокая  производительность нанесения покрытия.

10. Не требуется специальной  дорогостоящей обработки (очистки)  продуктов, загрязняющих окружающих  среду, в отличие от средств  очистки и нейтрализации при  гальванических видах обработки  изделий.

Напыление имеет отличительные  особенности, знание которых необходимо для правильного выбора технологии нанесения покрытий для каждого  конкретного случая. Для выбора оптимального способа нанесения покрытия необходимо учитывать форму и размеры  изделий; требования, предъявляемые  к точности нанесения покрытия, его  эксплуатационными свойствами; затраты  на основное и вспомогательное оборудование, наплавочные материалы и газы, на предварительную и окончательную  обработку покрытий; условия труда  и другие факторы производственного  и социального характера.

К недостаткам  метода относят.

высокая температура при  оплавлении, которая часто приводит к термическим поводкам;

Высокие требования к качеству и грануляционному составу самофлюсующихся  порошков. Недостаточно качественный материал может привести к повышенной пористости покрытия, неполному или  неравномерному оплавлению частиц;

Относительно большие  припуски под мехобработку.

Порошки для газотермического напыления

Развитие газотермических  методов нанесения покрытий (электродугового, газопламенного, плазменного, детонационного) основано на создании высокопроизводительного  автоматизированного оборудования, и прогрессивных технологических  процессов. Однако на современном этапе  особую актуальность приобретает создание новых порошковых материалов, обеспечивающих комплекс защитных покрытий при эксплуатации узлов и деталей, а также восстановление изношенных поверхностей.

Расширение сферы применения газотермического напыления привело  к необходимости разрабатывать  десятки наименований порошков металлов, сплавов, карбидов, оксидов и т.д. Но, как показал опыт, необходимые  технические характеристики обычно достигаются при использовании  смесей металлических и керамических порошков. Современная технология и оборудование для газотермического напыления зачастую не дают возможности получать высококачественные покрытия напылением смесей порошков, имеющих различные температуру плавления, плотность и т.д. Поэтому в последнее время стало развиваться новое направление – газотермическое напыление композиционных порошков, представляющий собой не механические смеси, а интегрированные комплексы исходных компонентов в каждой порошковой частице. Такое интегрирование исходных компонентов развивалось в двух направлениях: создание плакированных порошков путем получения на исходной частице одного или нескольких слоев других материалов и получение порошка путем конгломерации (конгломерирования) тонкодисперсных исходных компонентов в более крупную частицу.

Применение плакированных  порошков дало возможность ввести в  покрытие материалы, которые не поддаются  напылению (не пластифицируются или  возгоняются), создать целую гамму  различных композиций, обеспечивающих получение высококачественных покрытий. Конгломерирование (агломерирование) исходных порошков на связках спеканием, прессованием с последующим дроблением обеспечило еще более широкие  возможности получения газотермических  покрытий за счет реализации межфазных  и химических процессов в частицах при их нагреве и нанесении  на подложку.

Однако самой плодотворной идеей, связанной с разработкой  и напылением композиционных порошков, явилось использование при нанесении  покрытий эффекта экзотермического взаимодействия компонентов частицы  с образованием новых соединений при значительном тепловыделении, обеспечивающем в условиях напыления дополнительный разогрев порошка в момент формирования покрытий. С 1963 г. за рубежом начался промышленный выпуск основного композиционного экзотермически реагируемого порошка Ni-А1, в настоящее время выпускаемого в виде плакированных никелем частиц алюминия (порошок А1 – 80% Ni) и никелевых частиц, конгломерированных алюминием (порошок Ni – 5% А1). Другой тип порошков – металлотермитные порошки, которые начали разрабатываться авторами с 1970 г. Кроме того, проведено значительное количество исследований в области получения плакированных и конгломерированных порошков различных состава и назначения, изучения процесса их напыления и анализа свойств покрытий различного назначения.

Композиционные  порошки

Одной из существенных особенностей газотермического напыления порошков является возможность управления составом, структурой и соответственно свойствами покрытий за счет применения различных  порошковых композиций с широким  интервалом соотношения компонентов, в качестве которых могут выступать  металлы, сплавы, оксиды, карбиды, бориды, нитриды, сульфиды, графит (алмаз), твердые  смазки и т.д.

Применение для этих целей  механических смесей имеет ряд существенных недостатков, главным из которых  является сегрегация компонентов при  смешивании, транспортировании их смеси  из дозирующих устройств в струю, а также в процессе самого напыления. Сегрегация приводит к неравномерности  формирования структуры, пористости, снижению прочности, и в ряде случаев эксплуатационных характеристик покрытий. Кроме того, при напылении механических смесей происходит окисление некоторых  компонентов. Наличие в смеси  порошков с различными гранулометрическим составом, формой, плотностью, теплопроводностью, температурой плавления приводит к  неравномерности нагрева отдельных  частиц в полете, ускорения, затвердевания, кристаллизации и в конечном счете  не способствует достижению положительных  результатов. В связи с этим и  начали развиваться методы изготовления порошков, обеспечивающие наличие в  каждой частице комплекса всех исходных компонентов. При этом все частицы  порошка имеют одинаковые массу, химический состав, плотность, теплопроводность и т.д. Для достижения этого применяемые  способы дают возможность получать порошки плакированного и конгломератного  строения. Такие порошки будем  называть композиционными порошками.

Плакирование  порошков.

Среди существующих методов  плакирования дисперсных материалов, используемых для получения напыляемых композиционных порошков, первым был  использован метод восстановления никеля или кобальта из их солей  водородом. Этот метод в настоящее время используется зарубежными фирмами–изготовителями порошков для напыления. Однако при использовании взрывоопасного водорода необходимо соблюдать особые требования к оборудованию, что осложняет эксплуатацию, а очистка сливов требует дополнительных затрат.

В отечественной практике для получения никель-алюминиевого композиционного порошка разработан метод контактного никелирования, основанный на реакции восстановления никеля алюминием,

3NiCl₂ + 2А1 = 2А1С1₃ + 3Ni.

К его недостаткам относятся  возможность получения только одного вида композиционного порошка (Ni-А1), потребность в чистых реактивах (NiCl₂), наличие HF в сливах производства (HF используется для удаления оксидной пленки с частиц алюминия).

Нанесение металлических  покрытий на частицы порошков методом  испарения или конденсации в  вакууме находитсяв настоящее время на стадии лабораторных испытаний. Существующее оборудование пока малопроизводительно, довольно сложно по устройству и в эксплуатации.

Конгломерирование порошков.

Методы плакирования и  конгломерирования в технологии получения композиционных порошков для газотермического напыления  во многих случаях должны сравниваться по их технико-экономическим показателям. В этом случае конгломерирование  часто оказывается в более  предпочтительном положении.

Из общего числа существующих методов конгломерирования в  практике получения композиционных порошков для напыления покрытий использованы методы формирования конгломератов  с использованием неорганических и  органических связок, прокатки порошковых смесей, предварительного спекания и  дробления полученных спеков, а также  метод самораспространяющегося  высокотемпературного синтеза (СВС).

Метод получения композиционных порошков для газотермического напыления  с применением связующих веществ  в настоящее время приобретает  все более преимущественное развитие. Это связано в первую очередь  с возможностью создавать таким  путем композиции на основе комбинации любых компонентов. Кроме того, технологические  варианты его осуществления отличаются простотой и экономичностью. Принцип  работы смесителей для конгломерации  состоит в совмещении непрерывного перемешивания объема, заполненного смесью исходных порошков и связующего вещества, с удалением растворителя связки сушкой.

Применение.

Коррозия технологического оборудования — одна из самых серьезных  проблем, с которой сталкиваются нефтеперерабатывающие предприятия, поскольку затраты при повреждениях и авариях огромны: по причине  возникшей коррозии нередко возникают  взрывы и пожары. Установлено, что  общемировые расходы нефтяной промышленности на борьбу с коррозией составляют 3.7 миллиардов долларов в год.

В 2003 году российская компания "Технологические Системы Защитных Покрытий" предложила новое решение для защиты внутренней поверхности колонн-абсорберов путем нанесения антикоррозионного износостойкого покрытия методом газотермического напыления. Для этого совместно с ВНИИГАЗ была проведена работа по определению коррозионной стойкости ряда материалов, нанесенных различными методами напыления. По результатам испытаний была выбрана высоколегированная нержавеющая сталь, нанесенная методом высокоскоростного газопламенного напыления.

В рамках контракта "ТСЗП" с "Газпром Добыча Астрахань" была разработана технология и изготовлен уникальный роботизированный комплекс для нанесения защитного покрытия методом высокоскоростного газотермического напыления внутренних поверхностей колонн без их демонтажа.

По результатам контроля за период более чем трехлетней эксплуатации колонн-абсорберов, отремонтированных  методом газотермического напыления, был сделан вывод о прекращении  процесса коррозионно-эрозионного  износа, который составляет менее 0,1мм по сравнению с 8-10мм в год для  колон без покрытия.

В процессе работы колонн регулярно  проводятся наблюдения за поведением покрытия, и по результатам работы первых колонн была выявлена возможность  развития подпленочной коррозии в нижней части колонны - в районе жидкой фазы. В связи с этим нами были проведены дополнительные исследования во ВНИИГАЗ, по результатам которых была предложена новая композиция, которая представляет собой двуслойное покрытие (табл.1) с подслоем менее склонным к развитию подпленочной коррозии. Применение двуслойного покрытия позволило увеличить межремонтный интервал покрытия с 3 до 5 лет.

Таблица 1. Характеристики защитного  покрытия.

Несмотря на то, что технология высокоскоростного газопламенного напыления обеспечивает получение  покрытия без сквозной пористости, существует объемная пористость, которую желательно также закрывать. Для этой цели применяют различные пропитывающие составы на эпоксидной, акриловой или фторполимерной основе, имеющие низкую вязкость и высокую проникающую способность. Пропитывающий состав наносят после напыления всей поверхности кистью, валиком или распылителем.

На сегодняшний день данная технология защиты внутренней поверхности  адсорберов включена как обязательная в регламент ежегодных планово-предупредительных  ремонтов, произведено напыление  всех колонн абсорберов, используемых в "Газпром Добыча Астрахань", на двух колоннах проведено ремонтное  напыление.

Экономический эффект заказчика  составил несколько сотен миллионов  рублей за четыре года работы. Эффект складывается из следующих факторов:

• Сокращение затрат на приобретение новых колонн (ранее колонна подлежала замене каждые 6 лет).
• Сокращение затрат на монтажные/демонтажные и пусконаладочные работы.

Технология и метод  ее применения одобрены органами технического надзора России, имеются согласования от проектных организаций, положительные  отзывы заказчиков. В настоящее время  ведутся работы по исследованию применения наноструктурированных покрытий.

Список литературы

1. Журнал «Коррозия ТНГ»  № 1(9) 2008 Защита от коррозии нефтегазового оборудования и сооружений методами газотермического напыления.
2. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И. В. Семеновой. - М.: Физматлит, 2002. - 336 с.
3. Балдаев Л. Х. Реновация и упрочнение деталей машин методами газотермического напыления. - М., 2004. - 134 с.