автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Развитие технологии эмалирования насосно-компрессорных труб

На правах рукописи

УДК 666.293

КАЗАК Казимир Витольдович

0046(34839

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭМАЛИРОВАНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Специальность: 05.25.07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - действительный член РАЭ, к.т.н.

Сиротинский Александр Александрович, Научный консультант - действительный член РАЕН, проф. д.т.н.

Гольдштейн Сергей Людвигович,

Екатеринбург

2010

004604889

Работа выполнена в НП «Уральский межакадемический союз», в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический унйверситет-УПИ им. первого президента РФ Б.Н.Ельцина», в ОАО «Уральский институт металлов» (г.Екатеринбург), в ООО «Эмаль-Ставан», в ЗАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ».

Официальные оппоненты: - член-корреспондент РАЕН,

доктор технических наук, профессор Смирнов Геннадий Борисович,

- действительный член РАЭ, доктор технических наук, профессор Дерябин Владимир Андреевич.

Защита состоится 8 июля 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 098.07 PCO ММС 096 по адресу: 620077, г.Екатеринбург, ул. Володарского, 4, НИИЦветмет/УMC.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ и в НП «УМС».

Диссертация в виде научного доклада разослана 8 июня 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф-м.н., проф.

В.Г. Рогович

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ТЕРМИНОЛОГИИ

НКТ - насосно-компрессорные трубы, ВСО - внугрискваженное оборудование,

СКРН - сульфатно-коррозийное растрескивание металла под напряжением, ВИР - водородноиндуцированное растрескивание, СВБ - сульфатновосстанавливающие бактерии, ВР - водородное растрескивание,

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения,

Т\УВ - стойкость к теплосменам,

ПАВ - поверхностно-активные вещества,

ЭПУ - электро-погружные устройства,

Эмаль - стекловидный материал, который предназначен для получения эмалевого покрытия,

Фритта - масса, полученная в результате резкого охлаждения расплава, в виде гранул (гранулят), тонких пластинок или волокон, Безгрунтовая эмаль - однослойная эмаль, нанесенная непосредственно на металлическую поверхность.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Нефтяные месторождения, расположенные в Западной Сибири, Поволжье, на Урале и в Республике Коми, разрабатываются уже длительные сроки, что сопровождается их истощением и повышением обводненности. С целью поддержания пластового давления и улучшения нефтеотдачи в горизонты затягиваются минерализованные сточные воды, поверхностно активные вещества и другие химические реагенты. Все это способствует коррозии внутрипромысловых трубопроводов и оборудования. Однако, основная доля воздействия обусловлена естественной коррозионной активностью водной и газовой сред. Наиболее опасными являются углеки-слотная коррозия и сероводородное растрескивание. В присутствии большого количества СО2 и НгБ реликтового происхождения в добываемой продукции коррозионные процессы многократно возрастают. Из-за коррозионных поражений заметно увеличивается число отказов ЭПУ и НКТ, что приводит к снижению наработки внутрискважинного оборудования.

Напряженная коррозионная ситуация на объектах нефтегазового комплекса послужила основанием для разработки Комплексной программы антикоррозионной защиты, исследований и контроля коррозионного состояния нефтепромыслового оборудования.

Использование труб с силикатно-эмалевым покрытием - эффективный способ борьбы с коррозией, так как эмаль надежно защищает металл от контакта с коррозионной средой. С технической точки зрения эмалирование представляет собой процесс адгезии силикатной эмали с поверхностью металла в результате сложного физико-химического процесса. Прочность сцепления получаемого композитного материала превосходит прочность самой эмали. Это предполагает, кроме стойкости к коррозионному воздействию, высокие прочностные показатели (особенно прочность на изгиб, кручение и механическое воздействие), а также широкий температурный диапазон экс-

плуатации (до +350°). Кроме того, гладкое эмалевое покрытие препятствует отложениям смол, солей, парафина.

В отличие от покрытий на основе органических соединений, подверженных старению и эксплуатируемым при сравнительно невысоких температурах, силикатно-эмалевые покрытия, обладающие рядом ценных физико-химических свойств таких, как твердость, износостойкость, термостойкость и химическая устойчивость, создают защиту поверхности металла в течение всего эксплуатационного периода и не требуют ремонта. Эти уникальные свойства используют при разработке специальных эмалей и технологии эмалирования насосно-компрессорных труб с учетом особенностей их свойств и условий эксплуатации.

Для эмалирования насосно-компрессорных труб должны применяться специальные эмали с повышенной химической стойкостью, механической прочностью на истирание, прочностью сцепления со сталью, обладающие также повышенной эластичностью и прочностью при изгибе.

Эмаль не является материалом, функционально применяемым самостоятельно: она превращается в специфический компонент только благодаря соединению с металлом. Эмаль на металле часто рассматривается лишь как покрытие, нанесенное для защиты от коррозии. Однако защита от коррозии является только одной из задач эмалирования, скорее эмаль служит вообще для улучшения качества поверхностей и формирования новых материаловед-ческих, технических и функциональных свойств новой системы эмаль-металл, которую следует рассматривать как новый композиционный материал, относящийся к числу наиболее надежных и универсальных средств защиты металлических изделий от коррозии. Значительная эффективность применения эмалированных труб обусловлена превышением их стойкости в 3-5 раз относительно труб из нержавеющей стали ив 10-15 раз относительно труб из углеродистой стали. Этим обуславливается высокий уровень производства эмалированных труб в ряде развитых стран.

При этом необходимо учитывать, что процесс эмалирования не должен отрицательно влиять на прочностные свойства труб. Поэтому общее выгорание углерода из металла труб должно быть минимальным. Это особенно важно для резьбовых концов труб.

Комплекс теоретических и экспериментальных исследований диссертанта призван устранить проблемы в отсутствии низкотемпературных силикатных эмалей требуемых свойств, разработать новую технологию, оборудование и устранить недостатки на существующих производствах для обеспечения потребностей рынка в насосно-компрессорных трубах с силикатно-эмалевым покрытием при повышенном сроке эксплуатации.

Решение этих задач было организовано с участием научных работников ОАО «Уральский институт металлов», ООО «Эмаль-Ставан», кафедры технологии стекла Уральского государственного технического университета УГТУ-УПИ.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами модернизации существующих производств ЗАО «Самарнефтегаз», ЗАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» и ООО «Советскнефтеторгсинтез», а также организацией строительства новых предприятий по эмалированию НКТ: ООО «Синтез-Технология», г.Набережные челны, и ООО «ЭмальТехПром», г.Челябинск.

Объект исследования - технические, технологические, организационные аспекты повышения эффективности работы нефтепромыслового и внутри-скважинного оборудования в коррозионно-агрессивных средах на месторождениях нефтяных и газовых компаний.

Предмет исследования - разработка комплексных инновационных программ, технологий и проектов по организации новых и модернизации существующих производств эмалирования насосно-компрессорных труб. Глобальная цель - организация высокоэффективного производства эмалирования насосно-компрессорных труб с оптимальным сочетанием механических, эксплуатационных и экономических показателей.

Локальная цель 1 - получение нового знания о производстве, новых марок эмалей заданных свойств.

Локальная цель 2 - получение исходных данных для создания нового технологического оборудования, оснастки и приспособлений, обеспечивающих внедрение новых технологий.

Локальная цель 3 - использование результатов исследований для разработки новых технологий эмалирования НКТ в условиях действующего производства и организации нового. Задачи:

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи:

- выполнить аналитический обзор литературы;

- научно обосновать и практически подтвердить (в связи с отсутствием информационных данных) возможность эмалирования высокоуглеродистых сталей для НКТ;

- исследовать процессы формирования эмалевых покрытий в зависимости от различных факторов (состава, температуры, времени, способов);

- разработать эмали с принципиально новыми свойствами;

- разработать технологическую схему эмалирования НКТ в т.ч. с защитой резьбы труб.

Научная новизна работы:

• впервые установлены закономерности коррозионных процессов в месте контакта сталь-эмалевый расплав при наличии в расплаве комплекса активаторов сцепления и их влияние на коррозионную активность, удельную электро- и теплопроводность, а также прочность сцепления соответствующих покрытий с высокоуглеродистыми сталями;

• предложен качественно новый подход к разработке многокомпонентных систем защиты поверхности металла с использованием силикатно-

эмалевых покрытий, эксплуатируемых при контактном, динамическом и термохимическом нагружении;

• исследовано влияние основных и вспомогательных компонентов сырьевых концентратов на технологические и эксплуатационные свойства эмалей, что позволило получить новые специальные эмали с заданным комплексом технологических параметров, в том числе с пониженной температурой обжига;

• разработаны технологическая схема и оборудование, позволяющие механизированными методами производить нанесение, сушку эмалевого шликера и обжиг эмалей на трубах длиной до 12 метров.

Практическая значимость

1. Из всех известных технологий обеспечения коррозионной стойкости на-сосно-компрессорных труб наиболее эффективным является силикатное эмалирование. При этом следует отметить, что новые эмали обеспечивают оптимальное сочетание механических, эксплуатационных и экономических показателей, расширяющих применение таких труб. Значительный экономический и технологический эффект дает простота обслуживания и увеличение в 3-7 раз межремонтного периода эксплуатации скважины в сравнении с обычными трубами при снижении энергетических затрат (за счет меньшего гидравлического сопротивления) до 30%. Длительный опыт эксплуатации на нефтепромыслах ЗАО «Богородскнефть», ОАО «Северная нефть», НГДУ «РИТЭКадымнефть», ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть», ООО «Газ-промнефть-Восток», ООО «Татнефть» и ряда других доказал высокую экономическую и технологическую эффективность применения эмалированных труб в различных условиях.

2. Разработаны новые способы и технологические схемы эмалирования НКТ,-в том числе с защитой резьбы.

3. По разработкам диссертанта ведется строительство двух заводов по эмалированию труб широкого ассортимента, в том числе эмалирования НКТ.

Некоторые технико-экономические показатели строящихся заводов, взятые из «Бизнес-плана»:

■ проектная мощность — 300 тыс.п.м. в год; в натуральном выражении — 4150 тн;

в стоимостном выражении — 436275 тыс.руб;

■ затраты на производство — 315275 тыс.руб;

■ прибыль от реализации — 121300 тыс.руб;

■ численность работающих — 40 чел;

■ выработка на одного работающего — 10906 тыс.руб;

■ рентабельность — 38%;

■ производственные фонды —■ 90920 тыс.руб;

■ платежи в бюджет и внебюджетные фонды — 53000 тыс.руб;

■ дисконтированный срок окупаемости - 1 год.

Апробация результатов..

Отдельные этапы исследования, выполненные в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ в ОАО «Уральский институт металлов» Институтом проблем эмалирования, заслушивались на НТС института и НТС предприятий заказчиков.

Основные положения диссертации доложены на 6-ти Международных научно-практических конференциях.

Публикации.

По теме диссертации имеется 20 публикаций.

На XII Международной выставке «Металл-Экспо-2006» (г.Москва) за разработку новых эмалей и освоение технологии эмалирования насосно-компрессорных труб авторы проекта награждены «Золотой медалью».

Структура диссертации приведена на рис.1.

Заказ на НИОКР

Информация

Программа 1: Литературно-аналитический обзор проблематики

Проект 1.1 - направления обзора Проект 1.2 - анализ патентов Проект 1.3 - анализ показателей Проект 1.4 - выводы

Программа 2: Особенности эмалирования НКТ

Проект 2.1 - анализ известных положений

Проект 2.2 -

авторские исследования

Программа 3: Разработка новых безгрунтовых силикатных эмалей

Проект 3.1 -

анализ взаимодействия химических элементов в эмалевой фритте

Проект 3.2 -

изучение взаимодействия щелочных и щелочноземельных металлов в эмалевой фритте

Проект 33 -

анализ роли некоторых ПАВ в формировании эмалевых покрытий

Проект 3.4 -

влияние роли ПАВ на свойства эмали

Программа 4. Влияние способов обжига на качество эмалей

Проект 4.1 -

анализ пористости

Проект 4.2 -

анализ прочности сцепления

Проект 4.3 -

анализ механических свойств

Проект 4.4 -

анализ термостойкости

Проект 4.5 -

анализ химической стойкости

Программа 5. Разработка технологических схем

Проект 5.1 - технология эмалирования НКТ

Проект 5.2 - технология защиты резьбы НКТ

Выполненный заказ

Новые знания и технологии

Рис.1 Структура диссертационного исследования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ПРОГРАММА 1: литературно-аналитический обзор проблематики

По проблематике диссертационного исследования были выделены три направления информационного поиска, просмотрено 174 литературных источника, в т.ч. 63 зарубежных, а также отработано 47 адресов Internet. Организованы и проведены диалоги с тремя экспертами. Оценены полнота, достоверность, глубина, релевантность и пертинентность этой информации (проект 1.1).

Проведен поиск патентной документации стран: СССР, Россия, Германия, Канада, США, Япония и Великобритания и др. При анализе отобрано 88 единиц охранных документов (проект 1.2).

Были сопоставлены значения показателей, характеризующих техническое совершенствование оцениваемой продукции (проект 1.3). Получены сведения о перспективах ведущих фирм в совершенствовании разработок по данному направлению.

Составлен пакет прототипов, от которых в дальнейшем отстраивали свои технические решения, оформленные в виде патентов.

В рамках проекта 1.4 обобщены отечественные и зарубежные литературные сведения и сделан вывод о существовании противоречивых данных в области технологии эмалирования НКТ, что свидетельствует о недостаточной изученности применения высокоуглеродистой стали для эмалирования, создания специальных сталей, влияния режимов обжига на формирование свойств эмалевых покрытий и т.д.

К настоящему времени известно несколько способов производства эмалирования труб, осуществленных в промышленных масштабах, отличающихся различными методами аппаратурного оформления операции подготовки поверхности труб перед эмалированием, нанесения эмалевого шликера, его сушки и обжига.

ПРОГРАММА 2: особенности эмалирования насосно-компрессорных труб

Проект 2.1 - анализ известных положений

Защитные свойства эмалевых покрытий в значительной степени зависят от параметров макроструктуры покрытия. Однако решающее значение имеет химическая устойчивость самой эмали. Скорость растворения эмали дает возможность регулировать защитные свойства покрытия в таком широком диапазоне, в каком не позволяет никакой другой параметр. При этом известно, что эмали с повышенной химической устойчивостью нетехнологичны, т.к. в их состав входит, как правило, большое количество тугоплавких оксидов (БЮг, А1203, МоОз, N¡0, ТЮг, С02О3 и др.), которые повышают температуру выплавки эмали и температуру обжига, что предъявляет особые требования, как к оборудованию, так и к эмалируемому металлу. Поэтому на практике ищут компромисс между легкоплавкостью и химической устойчивостью эмали.

Качество эмалевого покрытия в значительной степени зависит от состава металла и состояния его поверхности. Из практики известно, что удовлетворительно эмалируются малоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,12%, а насосно-компрессорные трубы изготавливают из стали с содержанием углерода до 0,5%. При эмалировании стали с таким содержанием углерода обычными эмалями, для которых температура обжига составляет 860-980°С, получить сплошной, прочно сцепляющийся с металлом тонкий слой эмалевого покрытия чрезвычайно трудно. Избыточный углерод, интенсивно взаимодействуя с кислородом воздуха, оксидами железа и эмали, образует разнообразные продукты коррозии, которые вызывают образование дефектов эмалевого покрытия.

При этом учитывают, что процесс эмалирования не должен отрицательно влиять на прочностные свойства труб, общее выгорание углерода из металла трубы должно быть минимальным (особенно важно для резьбовых концов труб).

При снижении температуры обжига до 780-800°С уменьшается скорость окисления стали под эмалью до ее оплавления, следовательно, и количество окислов железа, которые затем растворяются в расплавленной эмали. При этом снижается скорость электрохимического растворения в эмали металлического железа. Это приводит к уменьшению насыщения эмали оксидами железа, снижается вероятность прогаров покрытия, увеличивается возможность получения тонкого однослойного покрытия. С понижением температуры обжига уменьшается деформация (искривление) труб и снижаются энергозатраты.

Условия эксплуатации ставят требования к покрытию не только по свойствам, но и предопределяют технологический процесс эмалирования и его экономику.

Легкоплавкие эмали являются обычно не кислотостойкими. Однако на-сосно-компрессорные трубы могут эксплуатироваться и в условиях кислых грунтовых вод. В этом случае одно- двухслойные эмалевые покрытия должны обладать определенной кислотостойкостью.

Проект 2.2 - авторские исследования

Учитывая особенности технологии эмалирования насосно-компрессорных труб и условия их эксплуатации в нефтедобывающей промышленности, нами разработаны и внедрены низкотемпературные эмалевые покрытия, оптимальные для каждого конкретного случая, как с технической, так и с экономической точек зрения.

Исследование влияния состава эмали на свойства покрытия показало, что значительное уменьшение модуля упругости (увеличения эластичности и прочности на изгиб) можно достичь введением в эмаль оксидов ванадия. Наибольший эффект наблюдали при введении пентаксида ванадия (У205) вместо оксидов натрия, калия, лития (№20, К20, 1л20): модуль упругости снижался с 700 до 500-450 МПа. Однако увеличение прочности самой эмали не является единственным методом увеличения прочностных свойств эмалевых покрытий, в частности его эластичности. Эластические свойства эмале-

вого покрытия в большей степени зависят от его толщины: чем тоньше эмалевое покрытое, тем оно более эластично.

При использовании низкотемпературных легкоплавких эмалей особые трудности связаны с обеспечением необходимой прочности сцепления сили-катно-эмалевого покрытия со сталью. Это объясняется тем, что понижение температуры обжига эмалевого покрытия приводит к замедлению реакций, обуславливающих его связь с металлом. В более вязком эмалевом расплаве понижается растворимость оксидов железа и уменьшается подвижность катионов переменной валентности (кобальта, никеля, марганца и др.), играющих значительную роль в протекании электрохимической коррозии металлов. В связи с отмеченным лишь одним увеличением концентрации соединений кобальта и никеля для низкотемпературных эмалей нельзя достигнуть требуемой прочности закрепления эмалевого слоя со сталью.

Прочность сцепления эмали со сталью при пониженных температурах обжига можно увеличить, повышая активность оксидов никеля и кобальта (так называемых «оксидов сцепления») увеличением их содержания, что экономически невыгодно, или изменением состава эмали. Электрохимические исследования позволили обнаружить, что активность оксидов кобальта и никеля частично можно повысить дополнительным введением оксидов железа, но эта величина ограничена. Значительного повышения активности оксида кобальта можно добиться при введении в состав шихты не химически чистых оксидов кобальта, а специальных концентратов, в которых элементы (оксиды) находятся в смеси сложных химических соединений с образованием новых химических связей за счет неспаренных электронов и элементов переходной валентности. В процессе синтеза при переходе вещества из одного физического состояния в другое, изменение состава и строения композиционного соединения (группировки) происходит при более низких температурах. Гетеровалентные добавки, в небольших количествах находящиеся в смесях концентрата, вносят радикальное изменение в строение энергетического спектра электронов в кристалле кремния, а в случае изовалентной примеси,

имеющей то же число электронов, что и замещаемые атомы, изменения прекращаются. Количество электронных дефектов в кристалле, локализованных на примесных атомах или находящихся в квазисвободном состоянии, при фиксированной температуре сильно зависят от энергии ионизации примесей. Поскольку эта величина строго индивидуальна, то и влияние их необходимо учитывать для различных марок эмалей.

Под руководством диссертанта учеными ОАО «Уральский институт металлов» Института проблем эмалирование и ООО «Эмаль-Ставан» в творческом сотрудничестве с заинтересованными предприятиями: ОАО «Негаспензапром», ОАО «Самаранефтегаз» и др., были разработаны и внедрены специальные силикатные эмали марок ЭСБТ-10, ЭСБТ-12, «Эмаль-Ставан» с пониженной температурой обжига для эмалирования насосно-компрессорных труб. Разработанные эмали являются безгрунтовыми, имеют оптимальное сочетание смачиваемости и химической стойкости.

Для получения эмалей заданных свойств помимо увеличения содержания оксидов БЮ2 и Хх02 в состав эмали были введены порошки А120з до 10,0% и Сг20з до 3,0%, которые способствовали получению покрытия с плотной мелкокристаллической структурой, повышенной прочностью на удар и термостойкостью.

Для снижения температуры синтеза эмалей (на 70-90°С) и температуры обжига (на 40-50°С) компоненты: СоО, А120з, Сг203, 8Ю2, вводили в состав эмалей не в виде химически чистых элементов, а в составе специальных сырьевых концентратов, таких как «Смесь порошковая оксидов алюминия и хрома для производства фритт» по ТУ 14-2Р-379-2004, «Концентрат кобальтовый для производства силикатных эмалей» по ТУ 14-11-357-2004 и др.

На новые составы были получены патенты РФ: №2203234 «ЭМАЛЬ-СТАВАН», №2259328 «Эмаль (варианты».

Внедрение вышеуказанных эмалей для эмалирования насосцо-компрессорных труб позволило:

- исключить отложения парафина и солей на внутренней поверхности труб;

- обеспечить разрушение эмалевого покрытия происходит в пределах упругой деформации металла трубы;

- снизить энергетические затраты за счет уменьшения гидравлического сопротивления трубы;

- экономить затраты на ингибиторную защиту по борьбе с парафином, коррозией и солеотложениями;

- сократить затраты на профилактические обработки с целью депарафи-низации скважин;

- экономить затраты за счет сокращения капитальных ремонтов скважин и оборудования;

- повысить стойкость покрытия к истиранию и абразивному износу (на установленных трубах износа под действием песка наблюдалось). Были проведены исследования условий обжига эмалевого покрытия на

изменение прочностных свойств трубы. Временное сопротивление разрыву металла насосно-компрессорных труб группы Д согласно ГОСТ 633-80 должно быть в пределах 750-650 МПа. Можно было ожидать, что применение легкоплавких эмалей с температурой обжига 780° С приведет к снижению временного сопротивления металла. Рациональней было бы применять эмали с температурой обжига выше температуры рекристаллизации металла (850° С). Однако, как было сказано выше, при высоких температурах получить однослойное эмалевое покрытие на поверхности высокоуглеродистой стали затруднительно. При исследованиях в лабораторных условиях и эмалировании НКТ в промышленных условиях были получены данные о незначительном снижении предела прочности металла. Так если предел прочности металла трубы до обжига составлял 750 МПа, то после обжига стал равным 720-735 МПа. Если металл трубы обладал пределом прочности, равным 655 МПа, то наблюдали снижение до 645 МПа. Как видим прочностные свойства труб после эмалирования не выходят за нижний предел ГОСТ 633-80.

ПРОГРАММА 3: разработка новых безгрунтовых силикатных эмалей, обеспечивающих заданные свойства защитных покрытий НКТ Проект 3.1: анализ взаимодействия химических элементов в эмалевой фритте

Известно, что взаимодействие элементов в эмалевой фритте определяет в целом набор свойств эмали. Каждый из элементов, входящий в состав фритты, и его взаимодействие с другими учитывается при составлении различных типов фритт с разными свойствами.

Для более детального изучения взаимодействия этих элементов нами рассмотрено их строение (по атомному составу эмалевой фритты). Известно, что химические элементы различаются строением атомов (это различие - в понятии «валентность»); валентность находится в прямой связи с химическими свойствами; в соответствии с этим элементы, входящие в состав фритты, делятся на группы: 1 - К, 1л, 2- №, М^, Мп, Си, Со, Са, Ва, 3 - Ре, В, А1, Сг, 4 - 81, Ъх, И, 5 - Р,6 - Мо.

Нами выявлено влияние элементов переменной валентности на свойства фритт. Так, например, атомы 81 и В взаимодействуют с кислородом, в результате чего образуют между собой связи и располагаются в определенном порядке по отношению друг к другу. Для начала рассматривали взаимодействие кремния и кислорода в кварцевом стекле, в составе которого только два элемента: 81 и О. Изображение этого соединения можно представить в виде четырехмерной сетки. В результате взаимодействия атомов бора и кислорода образуется трехмерная структурная сетка стекла, содержащего оксид бора. Каждый атом бора образует связи с тремя атомами кислорода.

Выявлено, что при совместном расплавлении кварца и борной кислоты оба компонента в реакцию не вступают - появляются раздельно четырехмерная сетка кварцевого стекла и трехмерная оксида бора.

Показано, что при температуре ниже 1000 °С борная кислота обезвоживается, образующийся расплав В2О3 обволакивает частицы кварца, которые расплавляются при более высокой температуре. Чтобы произошла реак-

ция между кварцем и оксидом бора, необходимо наличие щелочей и щелочноземельных или других двухвалентных элементов, которые вступают в реакцию с трехвалентными. Эти реакции имеют решающее значение в химических процессах при получении эмалевой фритты. Появляется трехмерный элемент структуры - такой же как в структуре бор - кислород. В присутствии атома щелочного элемента этот структурный элемент присоединяет еще один атом кислорода, в результате чего образуется четырехмерный структурный. элемент - точно такой же, как в структуре кварцевого стекла. То же самое происходит при наличии двухвалентных элементов, таких как щелочноземельные металлы, с той лишь разницей, что в этом случае один атом щелочноземельного металла образует два четырехмерных структурных элемента бора.

По аналогии с двухвалентными элементами щелочные и щелочноземельные металлы могут вступать в реакцию и с 4-, 5-, 6- валентными элементами, например, с фтором. Структурная сетка образует четырехмерную сетку кварцевого стекла. 1-й 2-х валентные элементы располагаются внутри ячеек четырехмерной сетки. Верхний ряд сетки демонстрирует взаимодействие щелочных элементов с 3-, 4-, 5-, 6- валентными элементами, а также с фтором. Нижний ряд - влияние щелочноземельных элементов.

Проект 3.2: изучение взаимодействия щелочных и щелочноземельных металлов в эмалевой фритте Нами решена задача выбора составов эмалей. Для этого рассмотрена роль щелочных и щелочно-земельных металлов:

1. Они способствуют тому, чтобы трехвалентные элементы заняли в структурной сетае определенные места. Механизм этого процесса таков, что кварц и оксид бора в присутствии оксидов щелочных и щелочноземельных металлов вступают в химическую реакцию;

2. Они вводят 5- и 6- валентные элементы (фосфор и молибден) в структурную сетку, где фтор замещает кислород. Посредством этого щелочные и

щелочноземельные элементы присоединяются к структурной сетке, в результате чего в ней происходит разрыв связей;

3. Щелочные металлы, не использованные на внедрение элементов в структурную сетку, вступают в реакцию с 4-валентными элементами (в основном с кремнием). При этом они парами присоединяются к сетке, что приводит, как в случае со щелочными элементами, к ее разрыву. В соответствии с этим температура размягчения и вязкость понижается;

4. Щелочноземельные элементы, не израсходованные на внедрение в сетку, вступают в реакцию с 4-х валентными элементами. При этом происходит их присоединение к структурной сетке, вследствие чего повышаются температура размягчения и вязкость;

Показано, что по взаимодействию щелочных и щелочноземельных элементов с 3-, 5-, 6- валентными элементами, а также с фтором можно судить, является ли эмалевая фритта донором или акцептором. Эмалевая фритга является донором, если все элементы могут быть размещены в четырехмерной сетке кварцевого стекла. Если этого не происходит, говорят об акцепторном типе фритты. Для этого типа характерно одновременное наличие 4-х и 3-х мерной сетки. Выявлено, что реакции взаимодействия в обеих таких фриттах являются ключом к пониманию многочисленных эффектов при эмалировании и их следует принимать во внимание при разработке новых типов эмали. Наглядным примером того служит введение одинакового количества щелочных металлов в донорную и акцепторную фритты. В донорной фритте щелочные элементы вступают в реакцию с 4-х валентными элементами (в основном с кремнием). В результате происходит разрушение структурной сетки и существенно снижается температура расплавления и уменьшается вязкость. При добавлении щелочных элементов в акцепторную фритту ее плавкость почти не изменяется. В этом случае щелочные элементы вступают в реакцию с элементами трехмерной сетки, в результате происходит превращение в 4-х мерную структурную сетку, за счет этого доля четырехмерного

структурного элемента возрастает, трехмерного - уменьшается. В целом изменение размера структурной сетки несущественно.

Выяснено, что по разному ведут себя и щелочноземельные элементы в эмалевой фритте - доноре. В некоторых типах фритт эти элементы действуют как плавень, а есть такие типы фритт, где эти элементы не оказывают такого действия. Зависит это от того, взаимодействуют ли щелочные элементы с трехмерным бором. Если да, то щелочноземельные элементы берут на себя роль щелочных. Щелочные же оказываются свободными и вступают в реакцию с 4-х-валентным кремнием, что в известной мере вызывает разрушение структурной сетки и, следовательно, снижает температуру плавления и уменьшает вязкость.

Если речь идет о фритте-доноре, в которой щелочные не вступают в реакцию с бором, то происходит взаимодействие щелочноземельных элементов с кремнием, в результате чего повышается температура плавления и вязкость.

Подобная классификация по принципу «донор-акцептор» возможна для любой эмалевой фритты.

Акцепторная фритта представляет собой расслоившееся стекло. В процессе эмалирования (обжига) она кристаллизуется. Например, в титановой эмалевой фритте при обжиге покрытия происходит осаждение диоксида титана.

Из взаимосвязи различных элементов в эмалевой фритте следует, что сцепление эмали со сталью зависит от реакций, происходящих в фритте, естественно, при наличии оксидов кобальта и никеля.

Наблюдалось, что чем больше щелочных элементов вступает в реакцию с кремнием, тем существеннее ослабевает влияние никеля на сцепление.

До сих пор мы говорили о реакциях, имеющих место внутри одной фритты. Если же смешать различные эмали (две или более), и провести обжиг, очевидным станет их взаимообразное влияние. Например, комбинация донора и акцептора. В этом случае при обжиге щелочные элементы перехо-

дят из фритты донора в акцепторную фритту. Происходит взаимодействие с трехмерным бором и его внедрение в четырехмерную кварцевую структурную сетку.

В результате обжига первоначальная смесь эмалевых фритт превращается в новую эмалевую систему. Показано, что таким способом можно получить фритту заданного свойства.

Все это позволило найти рецептуру эмалевых фритт с требуемым набором технологических и эксплуатационных свойств в комбинации донора и акцептора. Фритта-донор № 9 имеет следующий химический (расчетный) состав в оксидах, масс.%; 38,2 8Ю2, 21,2 Ыа20, 23,1 В203, 1,0 Со203, 2,1 А1203, 3,1 СаО, 3,1 Ре203) 2,0 1л20, 2,1 МпО, 4,1 №3А1Рб. Фритта-акцептор № 3 имеет следующий химический (расчетный) состав в оксидах, масс.%: 57,9 8Ю2, 15,5 Ыа20, 4,4 В203, 4,2 ТЮ2, 1,3 Со203, 2,5 К20, 2,5 А1203, 2,0 СаО, 1,2 N¡0, 2,0 МпО, 6,5

Проект 3.3: анализ роли некоторых поверхностно-активных веществ при формировании эмалевых покрытий

Для улучшения технологических параметров силикатных эмалей было изучено влияние на их свойства некоторых поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как: Сг203, В203, К20. Уменьшение поверхностного натяжения расплавов эмалей с введением этих оксидов, а также повышение дисперсности кристаллов, вызываемое оксидом хрома и замедление кристаллизации при наличии в составе эмалей борного ангидрида и оксида калия, известны.

Для изучения роли ПАВ в исходный состав разрабатываемой эмали вводили от 5,7 до 9,2-10"3 мольных долей сверх 100 вес. ч. Плавку эмалей проводили при температуре 1300 °С в течение 3,0-3,5 часов. Интервал обжига, кислотостойкость, термостойкость и прочность на удар определяли по методам, принятым при испытании эмалей для химической аппаратуры.

Обнаружено, что эмали, содержащие оксид хрома, проявляют исключительно высокую склонность к объемной кристаллизации. Оксид калия не

оказывает заметного влияния на кристаллизационную способность эмалей, оксид бора несколько уменьшает ее. Исследования показали, что Сг20з и В20 также несколько уменьшают суммарный объем кристаллических фаз без изменения их соотношения. Кристаллическая часть эмалей складывается из а-кварца, дисиликата и незначительных количеств а-кристобалита и а-тридимита.

Основные вышеперечисленные свойства эмалевых покрытий показали, что введенные оксиды заметно расширяют температурный интервал обжига за счет понижения его начальной температуры, что позволяет улучшить растекание эмалевого покрытия.

Кислотоустойчивость покрытия изменяется незначительно при введении вышеуказанных добавок, поскольку химическую устойчивость покрытия определяет устойчивость стекловидной матрицы, т.к. суммарное количество кристаллической фазы невелико и изменяется незначительно.

Прочность покрытия на удар понижается по мере увеличения содержания оксидов бора и калия, что согласуется с влиянием этих оксидов на кристаллизационную способность эмалей, а при наличии оксида хрома - повышается и даже имеет максимум. Это можно объяснить увеличением дисперсности кристаллической фазы в покрытии с введением оксида хрома (не более 9,2-10'3 мол. долей). При большем количестве оксида хрома он остается в покрытии в виде включений, разобщает зерна других кристаллических составляющих, препятствует образованию монолитного кристаллического сростка и поэтому понижает прочность покрытия.

Аналогичный результат описан в работе, авторы которой проследили уменьшение прочности стеклокристаллических материалов при введении 3 вес.% оксида хрома. Такие же зависимости наблюдаются в отношении термостойкости покрытий, содержащих Сг20з и К20, однако В203 значительно повышает термостойкость покрытий до кристаллизации.

Для хромсодержащих эмалей это связано, как указано выше, с особенностями влияния оксида хрома на структуру стеклокристаллических ма-

териалов. В случае калий- и борсодержащих эмалей, по-видимому, имеет значение, соответственно, увеличение и уменьшение коэффициента теплового расширения стеклофазы с введением оксида калия и борного ангидрида.

Показано ними, что при введении оксида хрома и борного ангидрида изменения в структуре и свойствах покрытия имеют аналогичный характер до и после его кристаллизации, что указывает на протекание процесса кристаллизации во время обжига и последующего охлаждения покрытия.

Таким образом, введение Сг203, К20 и В203 дает возможность регулировать дисперсность кристаллов, соотношение основных кристаллических фаз, количество стеклофазы и в ряде случаев позволяет существенно влиять на технологические и эксплуатационные свойства высококремнеземистых стеклокристаллических покрытий.

Проект 3.4: изучение влияния поверхностно-активных веществ на свойства силикатно-эмалевого покрытия С целью улучшения технических характеристик силикатно-эмалевых покрытий было изучено влияние поверхностно-активных оксидов Мо03, WOз, Сг203, У205 на некоторые свойства силикатно-эмалевого покрытия в системе.

Оксиды вводили в основной состав силикатных эмалей в количестве от 5,2 до 21,6-10"3 мольных долей сверх 100 в.ч. Интервал обжига, кислото-стойкость, термостойкость определяли по методам, принятым для испытания эмалевых покрытий химической аппаратуры; прочность покрытий на удар до разрушения, соответствующего 5 баллам, определяли на приборе лаборатории эмалей и эмалирования металлов Новочеркасского политехнического института. Кристаллизационную способность исследовали методом массовой кристаллизации в интервале температур 650-900 °С через каждые 50 °С в течение 1,2,3,4 и 5 часов.

Термографические исследования выполнены на фоторегистрирующем дериватографе. Навеска исследуемого материала покрытия составляла 1,5 г,

эталоном служил прокаленный при 1300 °С оксид алюминия; скорость нагрева - 20°С/мин.

Были также проведены рентгенографические исследования на установке УРС-25 и электронно-микроскопические - на микроскопе УЭМБ-100 с увеличением ЗООх методом угольных реплик.

Термическую обработку с целью ситаллизации исследуемых эмалей проводили при температуре 800°С в течение 1 часа.

Эксперименты показали, что диоксид вольфрама и молибдена и пен-токсид ванадия интенсифицируют объемную кристаллизацию эмалей, расширяют ее температурные границы, способствуют некоторому росту содержания а-кристобалита и ос-тридимита, несколько уменьшая количество диси-ликата лития и значительно понижая содержание а-кварца. Эмали, содержащие оксид хрома, проявляют исключительно высокую склонность к объемной кристаллизации. Сг203 существенно расширяет температурные границы кристаллизации эмалей, незначительно уменьшая количество дисиликата лития, а-кварца, а-кристобалита и а-тридимита, но не изменяет их соотношения.

Установленное влияние ПАВ на фазовый состав эмалей согласуется с данными термического анализа: введение ПАВ сопровождалось некоторым уменьшением тепловых эффектов кристаллизации. Для первых трех оксидов это может быть объяснено значительным уменьшением содержания а-кварца при увеличении содержания а-кристобалита и а-тридимита (известно [13], что тепловой эффект кристаллизации а-кварца больше, чем а-кристобалита и а-тридимита). В случае введения оксида хрома общий тепловой эффект кристаллизации снижается вследствие уменьшения суммарного количества кристаллических фаз без изменения их соотношения.

При всех содержаниях добавляемых оксидов некоторая часть введенного количества оставалась в кристаллическом состоянии. Структура покрытия в результате их введения во всех случаях становилась более мелкозернистой.

Оказалось, что в исследованных температурных границах (820-920 °С) оксид хрома, уменьшая скорость кристаллизации, заметно расширяет интервал обжига и улучшает растекание эмалевого покрытия. Оксиды вольфрама, молибдена и ванадия аналогичное действие оказывают только при добавке в небольших количествах (5-7)-10'3 мольной доли). Дальшейшее увеличение их содержания приводит к усилению кристаллизации и значительно ухудшает растекаемость покрытия.

Прочность на удар покрытия экстремально растет с увеличением в покрытии количества \УОз, МоОз, У20^ и Сг203. аналогичная закономерность наблюдается и для термической стойкости покрытия. Для \\Ю3, Мо03, У205 это можно объяснить повышением дисперсности структуры покрытия, упрочнением его за счет образования а-кристобалита и а-тридимита, ТКЛР которых значительно больше, чем остаточного стекла, и уменьшением количества кристаллов а-кварца, которые не обладают плоскостями спайности-и потому являются наиболее слабыми участками закристализованного материала.

Оксид хрома, резко повышая склонность эмали к объемной кристаллизации, способствует упрочнению покрытия. Однако при введении выше 11,4-10"3 мольных долей (1,7 вес.%) Сг203 остается в эмали в виде микроскопических включений, разобщает зерна других кристаллических составляющих, препятствует образованию кристаллического сростка и поэтому понижает прочность покрытия. Аналогичный результат получили другие авторы, обнаружившие уменьшение прочности стеклокристаллических материалов в системе Ы20 - АЮ3 - БЮ2 при введении 3 вес.% оксида хрома.

Химическая устойчивость покрытия мало изменяется при введении вышеуказанных добавок, поскольку количество кристаллических фаз не превышает 30%, и потому это свойство покрытия определяется химической стойкостью стекловидной матрицы. Подобное изменение физико-химических свойств и структуры покрытия с введением ПАВ наблюдается, только в

меньшей мере, непосредственно после обжига покрытия, что свидетельствует о протекании процесса кристаллизации во время обжига.

Выполненное исследование показало, что использование в качестве ПАВ оксидов молибдена, вольфрама, ванадия и хрома при синтезе высококремнеземистых силикатно-эмалевых покрытий в системе - Ыа20 - СаО - БЮг в небольших количествах (до 11,4-Ю"3 мольных долей или 1,7 вес.%) способствует получению кислотостойких покрытий с плотной мелкокристаллической структурой, повышенной прочностью на удар и термостойкостью, а также с улучшенными технологическими свойствами.

ПРОГРАММА 4: исследование влияния способов обжига эмалей на качество эмалевого покрытия труб.

Проведены сравнительные исследования качества эмалевого покрытия при печном и индукционном способах обжига. Качество эмалевого покрытия изучали на образцах и опытных партиях труб.

Проект 4.1: сплошность эмалевого покрытия.

Этот показатель качества покрытия можно проверять следующими методами: с помощью «пыжа» при напряжении 120 В; электролитически (залив электролита в трубу, напряжение тока 120 В); токами высокой частоты при напряжении 4-8 тыс. В. Менее всего дефектов выявляет метод «пыжа».

При проверке сплошности эмалевого покрытия на трубах токами высокой частоты установлено, что указанное напряжение не дает пробоя сплошного покрытия толщиной 0,5 мм. Этот метод выявляет скрытые дефекты в покрытии: заплавленные пузыри, поры и т.д., которые не обнаруживаются другими указанными методами.

После порезки труб на сегменты сплошность эмалевого покрытия можно изучать и визуально. При этом оказывается, что эмалевое покрытие индукционного обжига имеет множество пор и пузырей, обнажающих металл после их разрушения (легкое нажатие металлической иглой). Покрытие же печного обжига плотное, хорошо остеклованное, без видимых пор и пузырей.

Металлографическое исследование показало, что эмалевые покрытия обоих видов обжига имеют пористую структуру.

В случае печного обжига газовые пузыри незначительных размеров (10-15 мкм) распределяются равномерно по всему слою покрытия.

Характерно, что слой, имеющий газовые пузыри, расположен вблизи поверхности эмали. Процесс газовыделения из металла заканчивается и только часть мелких пузырей остается в поверхностном слое. Слой эмали, прилегающий к металлу, является плотным и сплошным.

В покрытии индукционного обжига пузыри в слое распределяются неравномерно, размер их колеблется в значительных пределах (10-300 мкм), в отдельных случаях диаметр пузыря приближается к толщине всего слоя эмали. Такие пузыри бывают скрытыми и защищены от действия среды лишь тонкой пленкой. Характерно, что слой, наиболее насыщенный газовыми пузырями, расположен непосредственно у поверхности металла.

Образование пузырей и пор в эмалевом слое происходит в процессе обжига покрытия на металле и связано с выделением газов. Большая часть газов успевает выделиться до полного оплавления эмали, часть же их собирается в пузырьки. Эмалевый расплав имеет высокую вязкость (103-104) пуаз (особенно это касается высокотемпературных эмалей), замедляющую выделение из него газовых пузырьков. Нагрев изделия до достижения этой вязкости требует определенного времени. В случае печного нагрева продолжительность выдержки труб при температуре обжига, т.е. при вязкости расплава (103-104) пуаз, составляет 2-3 минуты. Этого времени достаточно для газовыделения в слое, прилегающем к металлу, и лишь незначительная часть равномерно распределенных пузырьков малых размеров остается в слое, близком к поверхности эмали, образуя пористость.

При индукционном нагреве каждый обжигаемый участок находится при температуре обжига, и, следовательно, при самой низкой вязкости эмалевого расплава 2,5-3 сек. За такое короткое время процесс газовыделения не

успевает закончиться, газовые пузыри больших и малых размеров, неравномерно распределенные в эмалевом слое, образуют значительную пористость.

Исследование структуры эмалевого покрытия показало (после травления в 24%-ной плавиковой кислоте), что скорость растворения эмалевого покрытия индукционного обжига за одинаковое время больше, чем печного (в среднем в 2 раза).

Эмалевое покрытие печного обжига после травления имеет равномерную пузырчатую структуру (диаметры пузырей не превышают 40 мкм), индукционного - неравномерную пузырчатую структуру с крупными пузырями, диаметр которых достигает 200-300 мкм.

Проект 4.2: прочность сцепления эмалевого покрытия на всех испытанных образцах печного и индукционного обжига оказалась неплохой (ударный метод на образцах-сегментах) - отколов эмали не наблюдали. Металлографическое исследование подтвердило результаты механических испытаний, показавших высокую прочность сцепления эмали с металлом при обоих способах обжига.

Для получения поверхности, освобожденной от эмали, образцы-патрубки подвергали раздавливанию на гидравлическом ручном прессе. На поверхности металла после скола эмали сохранялся сцепляющий слой эмали.

Проект 4.3: механические свойства испытывали на образцах-сегментах работой удара. Предел прочности при ударе со стороны металла и эмалевого покрытия как индукционного так и печного обжига составляет 0,108-0,116 кгм (при одинаковой толщине покрытия).

Следовательно, способ обжига не влияет на предел прочности эмалевого покрытия при ударе.

Проект 4.4: термостойкость

Испытанию на термостойкость подвергали эмалированные образцы-патрубки. Образцы нагревали до температуры 250°С и погружали в воду комнатной температуры.

Испытания проводили до появления трещин в покрытии. Эмалевое покрытие печного обжига выдерживает 18-20 теплосмен, индукционного - 2-3 теплосмены при одинаковой толщине покрытия.

Это объясняется тем, что при индукционном обжиге продолжительность контакта расплавленного эмалевого покрытия с поверхностью металла незначительна. Окислы железа в меньшем, чем при печном обжиге, количестве растворяются в эмали, что приводит к большой разнице коэффициентов термического расширения эмали и металла и возникновению значительных напряжений в покрытии.

Проект 4.5: химическую устойчивость эмалевого покрытия определяли на образцах-сегментах кипячением в 10%-ом растворе серной кислоты в течение 40 часов на специальной установке.

Химическую устойчивость оценивали по потере блеска. На покрытии индукционного обжига после испытания наблюдали потерю блеска, покрытие печного обжига оставалось блестящим.

В результате проведенных работ можно сделать следующие выводы: - сплошность, термостойкость и коррозионная устойчивость эмалевых покрытий, обожженных способом индукционного нагрева, ниже, чем покрытий печного обжига;

- прочность сцепления и предел прочности при ударе покрытий достаточно высоки и не зависят от способа обжига.

ПРОГРАММА 5: разработка технологических схем Проект 5.1: технологическая схема эмалирования НКТ. Схема приведена на рис. 2.

Трубы, предназначенные для эмалирования и прошедшие входной контроль качества, поступают по рольгангу со склада в цех. В линии подачи труб установлена электрическая проходная печь для термического обезжиривания и чернового отжига.

СКЛАД ТРУБ, ОТВОДОВ И МУФТ

/ СКЛАД ФРИТТЫ И ХИМИКАТОВ г.глЛ!, 1,1 , тпг-т,-т, тч»' К

Входной контроль

Торцовка и снятие фасок

' .......... а..

Технологический контроль

Черновой отжиг

1 »у щ," *» л

Обработка поверхности дробью

Сушка

Обжиг

Подготовка материалов для приготовления шликера

-1^.-1.. 1.111., и*

Мокрый помол

Процеживание и старение шликера

Ийвжгттек^^^р«--м-......

Внедрение в шликер заправочных компонентов

Технологический контроль

Входной контроль

Обработка поверхности дробью

Промывка

Технологический ..... контроль

Нанесение шликера

Сушка

Обжиг

Контроль качества продукции

Упаковака продукции

Рис. 2 Технологическая схема эмалирования

Температура отжига регулируется от 600 до 900°С. После отжига труба остывает в накопителе, затем подается на очистку в дробеструйную установку (возможен вариант очистки в абразивоструйной установке). Очистка внутренней поверхности трубы осуществляется стальной колотой дробью, подаваемой из передвижного дробеструйного аппарата по штанге осушенным сжатым воздухом. Запыленный воздух из камеры удаляется в установку очистки воздуха. Очищенная труба обеспыливается обдувом сухим воздухом и подается по рольгангу на установку нанесения эмалевого шликера.

Нанесение эмалевого шликера на трубы осуществляется путем заполнения полости вертикально расположенной трубы шликером из специальной емкости с последующим регулируемым сливом излишков в эту емкость. При этом труба должна быть установлена соосно с баком.

После нанесения шликера труба подается на позицию сушки, где в сушильной печи осуществляется подача горячего воздуха во внутреннюю полость трубы. После сушки труба обжигается в проходной электрической печи при вращательно-поступательном движении, что исключает ее искривление. Температура обжига составляется 800-900°С в зависимости от выбранной марки эмали. После обжига и остывания на накопителе труба направляется на пост контроля качества покрытия и далее на упаковку.

Для эмалирования муфт, фланцев, переходов и других фасонных изделий предусмотрены следующие технологические операции: двусторонняя очистка в дробеструйной установке, промывка, сушка; нанесение эмалевого шликера методом окунания; сушка и обжиг покрытия в электрической печи.

Технологический процесс приготовления эмалевого шликера включает следующие операции: входной контроль фритты и химикатов; подготовка материалов для приготовления шликера; мокрый помол в шаровой мельнице (тонина помола 0); процеживание и старение шликера; введение заправочных компонентов; технологический контроль.

Проект 5.2: способ защиты резьбового соединения при обжиге эмалевого покрытия на трубах НКТ Для подвешивания труб и защиты резьбы от окисления при нанесении эмали во время обжига использовали втулки с уменьшенной толщиной стенки, которые наворачивались на верхний конец труб. Нанесение шликера проводили методом окунания с обтиром наружной поверхности.

Ранее для защиты резьбы использовалась обмазка нижнего резьбового соединения огнеупорной глиной. Этой же глиной закрывали несколько видимых из под верхней втулки витков резьбы. После сушки глины проводили обжиг с температурой 830-860 °С по телу трубы.

Нами были предложены новые способы защиты резьбового соединения: нанесением металлургических антипригарных составов, формовочных смесей, силиконовых смазок, различных органических соединений и смазок, а также механической смеси графит-солидол в соотношении 10:1.

Антипригарные смеси металлургического производства, расширяясь при нагреве, забивают при обжиге резьбовое соединение, что создает трудности при разборке соединения. Формовочные смеси ведут себя аналогично.

Силиконовые смазки и различные органические соединения неприемлемы в плане экологии т.к при сгорании выделяется диоксин и другие вредные химические соединения.

Использование механической смеси графит-солидол весьма эффективно сдерживает процесс образования окалины, а оставшийся графит, в межрезьбовом пространстве позволяет легко развинчивать соединение. Вредных органических веществ, образовавшихся при разложении солидола, выделяется очень мало, поскольку его в смеси всего 10%. Процесс обработки резьбы и нанесения эмали выглядит следующим образом:

- перед нанесением шликера отвинчивается нижняя втулка;

- резьба обмазывается защитной графитовой смазкой;

- втулка накручивается на трубу;

- те же действия проделывают с верхней втулкой.

После нанесения эмали и остывания трубы втулки сворачиваются, а резьбы на верхнем и нижнем концах трубы тщательно промываются растворителем.

Основные результаты и выводы работы

Автором за период 2004-2009 г.г. в лабораторных и промышленных условиях выполнены следующие исследования и работы:

- получены новые виды специальных силикатных эмалей, синтезированные по предложенным рецептуре и технологии;

- решена задача существующего снижения температуры выплавки и обжига силикатных эмалей за счет уменьшения количества тугоплавких элементов с сохранением или повышением их стойкости к растворам солей, кислот, воде;

- проведен анализ известных технических решений по технологическому оборудованию, предназначенному для эмалирования НКТ;

- осуществлен выбор технологического процесса эмалирования труб, выполнена разработка исходных данных для проектирования нового технологического оборудования (дробеструйная установка, установка нанесения эмалевого шликера, печь обжига);

- на основе комплекса исследований определены параметры технологического процесса;

- внедрение новых силикатных эмалей на ОАО «НЕГАСПЕНЗАПРОМ» и ОАО «Самарнефтегаз» позволило освоить технологию эмалирования насосно-компрессорных труб на существующем оборудовании с минимальными затратами на модернизацию;

- по предложенным технологии и проекту ведется строительство двух новых производств эмалирования труб, в т.ч. с объемом производства 300 км. труб в год при ожидаемой прибыли около 250 млн. руб. в год.

Использование новых силикатных эмалей для покрытия насосно-компрессорных труб, работающих при больших знакопеременных нагрузках и температурных перепадах в условиях разнородной коррозийной среды, позволяет:

- исключить отложения парафина и солей на внутренней поверхности труб;

- гарантировать стойкость эмалевого покрытия в пределах упругой деформации металла труб;

- снизить энергетические затраты на (25-28)% за счет уменьшения гидравлического сопротивления трубы;

- повысить стойкость покрытия к истиранию и абразивному износу (на установленных трубах износа под действием песка не наблюдалось).

По результатам выполнения работ автором получены 6 (шесть) патентов Российской Федерации на изобретения.

Разработаны, согласованы и утверждены два ГОСТа, 8 ТУ, две инструкции по монтажу и эксплуатации, а также методики испытаний покрытия.

Основные публикации по теме диссертационного исследования

1. Казак К.В. Производство низкотемпературных эмалей, повышенной химической стойкости и механической прочности. Всероссийская НПК «Об опыте работы и перспективах использования стальных труб с силикатно-эмалевых покрытием», - Пенза: Приволжский дом знаний, 2002.

2. Казак К.В. Получение стальных эмалированных труб повышенной стойкости для нефтегазовой, химической и др. отраслей. Всероссийская НПК «Трубы в машиностроении - проблемы и пути их решения предприятиями НМК», Волжский: ОАО «ВТЗ». 2002.

3. Казак К.В. Высокотемпературные химически устойчивые эмалевые покрытия. Тр.19-ого Всероссийского совещания «Температуроустойчивые функциональные покрытия». т.1. С-Пб. 2003.

4. Казак К.В., Перминов A.A., Смирнов Б.Н. Теоретические и технологические предпосылки использования техногенных отходов в производстве силикатных эмалей. Сб. научных трудов НПК «Физико-химия и технология оксидно-силикатных материалов», т.1. -Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003 г.

5. Казак К.В., Смирнов Б.Н., Диденко В.В. Эмали на основе комплексного сырья, там же.

6. Казак К.В., Казак А.К. Разработка и внедрение новых технологий в эмалировании. Международная конференция-выставка «Продукция и технология Урала для Белору-сии», Могилев, Жлобин. 2004.

7. Казак К.В. Применение новых видов силикатно-эмалевых покрытий с улучшенными технологическими свойствами. Сб. докладов Международной НПК «Инженерные системы, сети и коммуникации: эффективные технологии». - Екатеринбург: KOCK «Россия». ОАО «УИМ». 2004.

8. Казак К.В., Диденко В.В. и др. Комплексная защита трубопроводов систем водоснабжения и теплоснабжения с внутренним силикатно-эмалевым покрытием», там же.

9. Казак К.В., Смирнов A.A. Состояние научных и технологических исследований и техники производства силикатно-эмалевых покрытий. Сб. докладов научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития производства нового поколения силикатно-эмалевых покрытий для защиты металлоизделий от коррозии. Металл-Экспо-2006». - Екатеринбург: УрО РАН, 2007.

10. Казак К.В. Влияние оксидов ванадия на свойства силикатных эмалей, там же.

11. Казак К.В., Казак А.К., Диденко В.В. Силикатно-эмалевые покрытия труб. // Энергетика региона, №2.2004.

12. Казак К.В. Требования к комплексному оборудованию для получения силикатно-эмалевых покрытий на металлоизделие. Сборник трудов Международной НПК, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И.Целикова. ОАО АХК ВЦИНИМЕТ МАШ - ООО «Информация - XXI век». 2004.

13. Казак К.В. Особенности эмалирования насосно-компрессорных труб. Сб. трудов «Новые технологии и материалы в металлургии». - Екатеринбург: УрО РАН. 2005.

14. Казак К.В. и др. Повышение надежности трубопроводов. // Деловой север, №20,2008.

15. Пат 2259328 РФ, МПК C03C8/06, 8/02. Эмаль (варианты)/ Л.А.Сиротинский. В.В.Диденко. Л.К.Казак, М.Г.Карамян. Опубл. 27.08.05. Бюл. № 24.

16. Пат. 52967 РФ, МПК F16L13/02 (2006.01 )В23КЗ 1/00(2006.01). Устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопроводов/ А.К.Казак. В.В.Диденко и др. Опубл. 27.04.06. Бюл. №12.

17. Пат. 2264359 РФ. МПК СОЗС8/22. Эмалевый шликер грунтового покрытия, эмалирования и эмалевое покрытие металлоизделия, выполненное с его использованием. Л.К.Казак. В.В.Диденко. Л.А.Сиротинский. Опубл. 20.11.05. Бюл. №32.

18. Пат. 2368573 РФ. МПК СОЗС8/22 (2006.01). Масса для получения силикатного эмалевого покрытия на стали. А.К.Казак, В.В.Диденко. Опубл. 27.09.09. Бюл. № 27.

19. Пат. 2203234 РФ. МКИ C03C8/04. 8/06. Эмаль-Ставан. А.А.Перминов. Л.А.Смирнов. Л.Л.Дерябин. Опубл. 27.04.03. Бюл. № 12.

20. Пат. 2227241 РФ. МПК F16L8/04. Соединение эмалированных труб и способ его выполнения. Л.А.Смирнов, В.И.Риккер, А.К.Казак и др. Опубл. 20.04.04. Бюл. №11.

Ризография НИЧ УрФУ 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 29

Тираж 100 экз.

Заказ 235