Автор: М.С. Юхим (ФГБУ НИИПХ Росрезерва).
Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2016
Применение металлополимеров (МП) [1, 2] так называемой «холодной сварки» для ремонта технических средств нефтепродуктообеспечения (ТСН) позволяет получить технико-экономический эффект благодаря более простой технологии восстановления деталей и ремонта сборочных единиц различных изделий и средств технологического оснащения [3], уменьшения продолжительности ремонта и увеличения срока их службы.
Результаты исследований МП с целью их применения при ремонте ТСН, в том числе емкостей (стальных резервуаров, цистерн, бочек и канистр), были изложены в работах [4–7]: произведена оценка совместимости МП соединений со светлыми нефтепродуктами, а также изменения адгезии МП к металлической подложке после контакта со светлыми нефтепродуктами; определены приемлемые конструкции МП наформовок, используемых при ремонте емкостей со сквозными дефектами; исследована долговечность МП наформовок, используемых при ремонте емкостей в условиях их эксплуатации.
Для разработки практических рекомендаций по технологическим операциям при ремонте корпусно-емкостного оборудования с помощью МП [8] необходимы результаты исследований влияния технологических факторов на прочность МП соединений.
Основными технологическими факторами, влияющими на прочность МП соединений, являются толщина МП соединения и способ подготовки склеиваемых с помощью МП поверхностей [8–10].
Склеиваемые с помощью МП «ЛЕО-Сталь-керамика» стальные поверхности (согласно методике [8]) зачищали шлифовальной бумагой №100 до металлического блеска и обезжиривали ацетоном. Образцы до испытаний выдерживали на воздухе при температуре 20 ± 2°С в течение 24 ч.
Прочность МП соединений оценивали по значению предела прочности на отрыв σотр, определяемому стандартным методом по ГОСТ 14760 [11].
Результаты испытаний (табл. 1) показали, что при толщине МП слоя между склеиваемыми поверхностями 0,8 ± ± 0,2 мм адгезионная прочность МП соединений наиболее высока. При толщине слоя менее 0,5 мм к МП слоя вытесняется из впадин шероховатости, что создает концентраторы напряжений и уменьшает адгезию, при толщине слоя более 1 мм в нем образуются микродефекты, которые уменьшают площадь контакта со стальной подложкой, прочностные свойства склеиваемых поверхностей ухудшаются.
Таблица 1
Адгезионная прочность МП соединений в зависимости от толщины слоя материала «ЛЕО-Сталь-керамика» между склеиваемыми поверхностями
| Толщина МП слоя, мм | 0,2 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,1 | 1,3 |
| sотр, МПа | 3,8 | 6,7 | 11,6 | 15,4 | 16,5 | 18,2 | 18,0 | 16,4 | 12,4 | 8,1 |
При ремонте емкостей ТСН с использованием МП очень важен способ подготовки поверхностей перед нанесением МП.
Анализ результатов исследований по влиянию способа подготовки склеиваемых поверхностей на прочность МП соединений (табл. 2) показывает, что самым эффективным способом подготовки ремонтируемой поверхности является дробеструйная обработка. Механическая зачистка склеиваемых поверхностей с последующим их обезжириванием позволяет увеличить прочность МП соединений на 15–21 %.
Таблица 2
Влияние способов подготовки склеиваемых с помощью МП поверхностей образцов из стали Ст3 на прочность
| Способ подготовки склеиваемых поверхностей | Обезжиривание поверхностей перед склеиванием | sотр, МПа разных МП | ||
| ЛЕО-Сталь-керамика | ЛЕО-керамика | ЛЕО-Т | ||
| Неподготовленная поверхность образцов (до 50% площади поверхности покрыта плотным слоем коррозии) | – | 16,3 | 15,2 | 14,3 |
| То же | Ацетон | 16,8 | 15,6 | 15,0 |
| Дробеструйная обработка | – | 18,2 | 17,3 | 16,2 |
| То же | Ацетон | 18,9 | 18,1 | 16,8 |
| Зачистка металлической щеткой и протирка ветошью | – | 17,8 | 17,1 | 15,8 |
| То же | Ацетон | 18,0 | 17,4 | 16,1 |
| Зачистка шлифовальной бумагой №100 и протирка ветошью | – | 17,9 | 17,0 | 15,6 |
| То же | Ацетон | 18,3 | 17,3 | 15,9 |
| Примечание. Склеенные образцы выдерживали на воздухе до испытаний на «отрыв» при температуре 20±2°С в течение 24 ч | ||||
Кроме того, во время испытаний было уставлено, что самым эффективным средством обезжиривания ремонтируемых поверхностей под нанесение МП композиций является ацетон (см. рисунок). Выдержка обезжиренных поверхностей до 2,0 ч не вызывает существенного изменения прочностных свойств МП соединений.
Одним из основных критериев при определении возможностей использования МП при ремонте ТСН, в том числе и емкостей для светлых нефтепродуктов, служит их свойство сохранять свои способности к герметизации сквозных отверстий [12] при низких и высоких температурах, совместимости коэффициентов линейного расширения и при наличии высокого давления во внутренних полостях. Для исследования указанных свойств были изготовлены образцы, представляющие собой трубки из нержавеющей стали длиной ~ 200 мм, наружным диаметром 10 мм и толщиной стенки 1 мм. У половины образцов один из концов трубок был сплющен для последующей герметизации его с помощью МП, а у всех остальных – полностью заварен. На другом конце трубок было сделано фланцевое уплотнение, с помощью которого трубки присоединялись либо к высоковакуумному стенду, либо к сосуду высокого давления. После заварки конца трубок все они прошли вакуумные испытания с целью подтверждения отсутствия изначальных негерметичностей. По окончании предварительных вакуумных испытаний в трубках были просверлены сквозные отверстия диаметром 1 мм, которые затем были устранены с помощью МП «ЛЕО-Сталь-керамика». Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Совокупность полученных данных показывает, что МП «ЛЕО-Сталь-керамика» могут быть использованы для ремонта негерметичностей узлов ТСН, работающих в широком диапазоне температур.
Таблица 3
Результаты вакуумных испытаний
| Вид испытаний | Условия испытаний | Наличие пропусков |
| Трехкратное термоциклирование | 20…100°С | Нет |
| Охлаждение с последующей опрессовкой | –50°С; 2,5 МПа | Нет |
| Длительный прогрев | 100°С; 3 ч | Нет |
| Четырехкратная опрессовка | 2,5 МПа | Нет |
| Опрессовка в нагретом состоянии | 2,5 МПа; 100°С | Нет |
| Опрессовка в нагретом состоянии | 2,5 МПа; 120°С | Да |
Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
- толщина МП слоя между склеиваемыми поверхностями должна составлять 0,8 ± 0,2 мм;
- наиболее эффективным способом подготовки ремонтируемой поверхности является дробеструйная обработка;
- для обезжиривания ремонтируемых поверхностей перед нанесением МП композиций следует использовать ацетон;
- в области температур от –50 до +100 °С и при внутреннем давлении в испытуемых образцах до 2,5 МПа МП можно использовать для ликвидации негерметичностей в ТСН.
Список литературы
- Натансон Э.М., Ульберг З.Р. Коллоидные металлы и металлополимеры. Киев: Наукова думка, 1971. 93 с.
- Буравлев Л.Т. Металлополимеры – эффективное средство для восстановления изделий и деталей//Наука и техника на речном транспорте. Информационный сборник. М.: Наука и технологии, 1994. №5. С. 22–29.
- Юхим М.С. Неисправности и способы ремонта резервуарных емкостей для светлых нефтепродуктов//Химическая техника. 2015. №10. С. 41–43.
- Юхим М.С. Использование металлополимеров при ремонте технических средств нефтепродуктообеспечения//Химическая техника. 2004. №10. С. 6–7.
- Юхим М.С., Лукерьин Е.Ю. Оценка кинетики адгезии металлополимеров к металлической подложке в контакте со светлыми нефтепродуктами//Химическая техника. 2004. №11. С. 33–34.
- Юхим М.С. Оптимальные конструкции металлополимерных наформовок для ремонта емкостей для нефтепродуктов//Химическая техника. 2005. №10. С. 8–9.
- Юхим М.С. Результаты исследований долговечности металлополимерных соединений//Химическая техника. 2015. №7. С. 23–25.
- Юхим М.С. Технология ремонта емкостей для светлых нефтепродуктов с использованием металлополимеров в полевых условиях. Дис. … канд. техн. наук. М., 2003. 157 с.
- Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишляков Л.Р. Новые композиционные материалы. Киев: Вища школа, 1977. 146 с.
- Вакула В.Л., Притыкин Л.М. Физическая химия адгезии полимеров. М.: Химия, 1984/224 с.
- ГОСТ 14760–69. Клеевые соединения металлов. Метод определения прочности при отрыве. М.: Изд. стандартов, 1969. 7 с.
- Результаты исследования свойств металлополимеров «ЛЕО-Сталь-керамика» и «ЛЕО-Керамика» с целью применения их для изготовления и ремонта узлов термоядерных установок. М.: Российский научный центр «Курчатовский институт», 1995. 12 с.
