Газопламенные методы защиты металлов от коррозии
Газопламенное напыление покрытий является одним из наиболее широко распространенных процессов формирования на металлах слоев, характеризующихся высокими скоростями нагрева и охлаждения наносимого материала. Основными требованиями к газопламенным покрытиям, которые используются для защиты металлов от коррозии, являются способность противостоять разрушающему воздействию окружающей среды, непроницаемость, достаточная прочность и твердость.
Традиционный метод, позволяющий защищать металлоконструкции от воздействия атмосферной и промышленной коррозии на срок более 20 лет – это струйно-абразивная очистка поверхности металла и газопламенное напыление плотного защитного слоя покрытия из алюминиевой или цинковой проволоки.
Многие годы защита от коррозии стального корпуса диффузионного агрегата площадью более 350 м2 на Городейском и Слуцком сахарных комбинатах Республики Беларусь производилась электродуговым напылением слоя покрытия толщиной 2 мм алюминиевой проволоки. Основные недостатки данного процесса: наличие в окружающей атмосфере значительного количества остывших, не связавшихся с подложкой пылевидных частиц алюминия, что требует применения специальных средств защиты органов дыхания оператора и ведет к потере материала; повышенная пористость покрытий, находящаяся в пределах 7–12 %; необходимость применения средств защиты оператора от поражения электрическим током; сложность стабильной подачи в зону горения дуги двух проволок. Подготовка поверхности при этом производилась струйно-абразивной обработкой улетающей дробью, что сопровождается дополнительными затратами, связанными с очисткой дроби и ее уборкой.
Специалистами ГНПО порошковой металлургии НАН Беларуси была разработана новая технология восстановления алюминиевого покрытия стального корпуса диффузионного агрегата, при которой сначала обрабатываются изношенные участки агрегата с помощью установки струйно-абразивной беспыльной «ТЕНА-УСАО-БП», затем наносится покрытие путем распыления алюминиевой проволоки аппаратом «ТЕНА-ГШ». Важной особенностью «ТЕНА-УСАО-БП» является наличие специальной системы очистки отходящего воздуха с вакуумным отсосом пыли, включающей циклон и специальный керамический фильтр, обеспечивающий улавливание и уплотнение пыли, с последующим сбросом ее в накопитель и удалением по мере накопления.
Для нанесения покрытий из алюминиевой проволоки на корпуса диффузионных агрегатов был разработан специальный метод высокоскоростного газопламенного напыления аппаратом «ТЕНА-ГШ». Благодаря высокой скорости полета частиц распыляемого материала (более 200 м/с) было получено практически непроницаемое покрытие с закрытой пористостью 0,5–2,5 %, что позволило уменьшить толщину наносимого слоя с 2 до 0,5 мм, а также значительно сократить время напыления изделия, вредные выбросы в атмосферу и материальные затраты. Данная технология внедрена на Городейском и Слуцком сахарных комбинатах Республики Беларусь.
Основные результаты работы, описанной выше, были использованы при разработке процессов напыления коррозионно-стойкого алюминиевого покрытия на криволинейный брус отбойника дорожного полотна и цинкового покрытия на криволинейный брус отбойника дорожного полотна и цинкового покрытия – на закладные детали автовокзала «Московский» в г. Минске.
Высокая плотность и прочность полученных таким образом покрытий обеспечили напыленным изделиям необходимый ресурс работы.
Создание универсальной установки газопламенного напыления покрытий способствовало разработке ряда новых технологий нанесения защитных покрытий. Она состоит из аппаратов – распылителей порошковых, шнуровых и проволочных материалов, универсального пульта «ТЕНАПУГ» управления рабочими газами, подставки и комплекта соединительных шлангов.
Для нанесения защитных покрытий из широкой номенклатуры порошков при восстановлении и упрочнении деталей используется аппарат «ТЕНА-Ппм» повышенной мощности. Аппарат состоит из корпуса, на котором закреплены: снизу – рукоятка с плунжерным краном управления кислородом и горючим газами, сверху – бункер с механизмом управления подачей порошка. На переднем конце корпуса расположен сменный модуль, на заднем – игольчатый кран управления расходом транспортирующего порошка газа. Аппарат обеспечивает работу при использовании горючих газов: ацетилена, пропан-бутана или МАФ, а также кислорода и сжатого воздуха.
Для повышения качества покрытий из шнуровых и проволочных материалов на базе аппарата «ТЕНА-Гш» был разработан новый аппарат с электроприводом и цифровой системой управления «ТЕНА-Уэ».
Для защиты от коррозийно-абразивного износа внутренней поверхности бункеров разбрасывателя солепесчаной смеси ПО «Белкоммунмаш» (г. Минск) была разработана технология нанесения покрытия «алюминий-полиамид‑11». Общая площадь поверхности напыляемого бункера равна около 15 м2. Покрытие состоит из подслоя сцепления, основного слоя из коррозионно-стойкого металла и дополнительного, полимерного слоя. Для повышения прочности сцепления (не менее 25 МПа) перед нанесением алюминиевого слоя наносился очень тонкий, «полупрозрачный» слой покрытия из шнура «Ниалид» (Ni – 95 %, Al – 5 %). Основной, коррозионно-стойкий слой из алюминиевой проволоки обеспечивает электрохимическую защиту металла бункера, а полимерный из порошка (полиамид-11) – дополнительную защиту поверхности от проникновения корродирующей среды и механического воздействия.
Для подготовки поверхности бункера под напыление использовалась установка струйно-абразивной обработки беспыльная «ТЕНА-УСАО-БП». Это позволило получить сухую и чистую поверхность подложки без остатков окалины, ржавчины, жировых и других загрязнений с шероховатостью Rz 15…25 мкм. Для газопламенного напыления полимерного порошка применялся аппарат «ТЕНА-Ппм», оборудованный специальным модулем.
Разработанная технология также была использована при нанесении покрытий на бункеры подобного назначения производства ПО «Белдортехника» (г. Минск), предназначенные для работы с концентрированным (около 20 %) соляным раствором. Все напыленные изделия были переданы в эксплуатацию, прошли испытания и показали значительное увеличение срока службы.
Разработанная технология нанесения на металл полимерных покрытий может быть также использована для защиты стальных конструкций мостов, опор, шлюзов, судов, резервуаров для хранения воды, трубопроводов, крепей и других изделий шахтового оборудования, моечных устройств, воздуходувок, насосов, кузовов легковых и грузовых автомобилей, оборудования пищевой промышленности и многого другого.
Погружные насосы, используемые предприятиями республики для откачки воды из скважин, отличаются, как правило, мощностью. Например, предприятиями «Минскводоканала» используются в основном насосы марок ЭЦВ 8–25х100 (N = 8 кВт), ЭЦВ 10–63х65 (N = 22 кВт), ЭЦВ 10–120х60 (N = 32 кВт). Ротор электродвигателя таких насосов короткозамкнутый, состоит из вала (материал – сталь 45) с напрессованным на него пакетом дисков из электротехнической стали толщиной 0,5 мм, с пазами, залитыми алюминием. Эту часть вала называют «бочкой». Величина износа цилиндрической поверхности «бочек» составляет от 2 до 5 мм на диаметр.
Анализ условий работы погружных насосов показал, что в процессе эксплуатации основными причинами разрушения роторов электродвигателей являются коррозия и кавитация стальных дисков, приводящие к увеличению зазора между статором и ротором и росту потребляемого тока, а также связанный с этим износ сопряженных деталей. При ремонте насосов изношенные диски роторов не восстанавливают, а заменяют новыми, что возможно только в условиях заводов‑изготовителей, поэтому предприятия, эксплуатирующие насосы, как правило, отправляют их в металлолом.
Созданный процесс восстановления роторов электродвигателей погружных насосов включает следующие основные операции: струйно-абразивную обработку, напыление слоя покрытия из специальной механической смеси порошков (магнитомягкого материала), механическую обработку и нанесение полимерного покрытия.
Для струйно-абразивной обработки применялась установка «ТЕНА-УСАО-Ц», смонтированная на вращателе «ТЕНА-ДМВ‑2000». Режимы обработки следующие: давление воздуха 5…6 атм; угол атаки – 70…900; расстояние от дробеструйного сопла до поверхности образца – 40…60 мм. Материал – дробь чугунная колотая (ДЧК), размер частиц 0,5–0,8 мм по ГОСТ 11964–81. Время обработки валов диаметром 78…103 мм при длине «бочки» 460…560 мм составило 5…8 мин.
Покрытия наносили аппаратом-распылителем порошков «ТЕНА-Ппм» установки газопламенного напыления покрытий, который закреплялся на тележке продольного перемещения вращателя «ТЕНА-ДМВ‑2000».
Результаты стендовых испытаний отремонтированных насосов с новыми и восстановленными роторами показали, что использование метода газопламенного напыления многослойных покрытий позволяет восстановить рабочие характеристики насосов и увеличить их срок службы с постоянным токовым режимом благодаря защите от износа, связанного с явлениями коррозии и кавитации. В настоящее время более ста отремонтированных погружных насосов эксплуатируется на водозаборных скважинах города Минска.
Обратная партия погружных насосов с восстановленными «бочками» ротора была отремонтирована на Барановичском водоканале. Стендовые испытания показали, что при равной производительности токовые нагрузки при работе насосов с восстановленными роторами ниже заводских. Насосы с восстановленными «бочками» роторов, установленные в водозаборные скважины в мае 2001 года, эксплуатируются по настоящее время без профосмотра. При работе на скважинах показания по току не изменились.
Создана новая технология изготовления композиционных порошков на основе оксида алюминия (50–80 об. %) и полиамида‑11 с содержанием 0,5–2,5 % наноразмерных частиц оксида алюминия и метод их высокоскоростного газопламенного напыления. Расположенный на частицах полимера плотный слой из частиц оксида алюминия позволяет снизить степень возможного окисления и улучшить условия нагрева полимера в высокотемпературной струе распылителя за счет передачи тепла через слой-оболочку из частиц оксида алюминия и благодаря этому повысить качество покрытия. Кроме того, форма частиц, близкая к сферической, способствует более равномерной подаче порошка в высокотемпературную струю распылителя.
При напылении композиционный материал подают в струю газопламенного распылителя «ТЕНА-Ппм», движущуюся со скоростью 300–500 м/с, энергией которой производят перенос частиц на поверхность детали, монолитизацию покрытия на предварительно подогретой до температуры, на 5–40 0С выше температуры плавления полимера, поверхности детали. Монолитизацию покрытия производят в течение 1–30 с.
В результате получены непроницаемые, прочные и твердые покрытия для защиты рабочих поверхностей деталей технологического оборудования солеперерабатывающих предприятий, работающих в условиях совместного воздействия интенсивной коррозии и износа: импеллеров смесителей, рабочих колес вентиляторов. Результаты испытаний в условиях производства Солигорского калийного комбината показали увеличение срока службы деталей с покрытием в 2–3 раза.
По материалам международного симпозиума «Сварка и родственные технологии»;
доклада П. А. Витязя – руководителя аппарата Президиума НАН Беларуси, А. Ф. Ильющенко – генерального директора ГНПО порошковой металлургии,
М. А. Андреева – директора ОХП «Институт сварки и защитных технологий» ГНУ ИПМ,
Е. Д. Манойло – заведующего лабораторией ОХП ИСЗП ГНУ «Институт порошковой металлургии»