Защитные покрытия

Использование цветных металлов и легированных сталей для изготовления аппаратуры сопряжено с большими затрудне­ниями вследствие высокой стоимости и дефицитности этих мате­риалов; поэтому широкое распространение получили способы, за­ключающиеся в покрытии обычных сталей защитными слоями, предохраняющими металл от разрушающего действия перераба­тываемых в аппаратах веществ и исключающими контакт железа с реакционной средой. Такие защитные покрытия могут быть ме­таллическими и неметаллическими.

Металлические покрытия. Могут наноситьсяна поверхность защищаемого металла различными способами.

Наиболее старым способом является обкладка —наложе­ние на стенки аппарата листов свинца, меди, легированной стали и т. п. Существенным недостатком метода обкладки является то, что между стенкой аппарата и обкладкой остается воздух. При нагревании аппарата или создании в нем вакуума может произой­ти деформация и даже разрушение обкладки. Особенно важно учи­тывать это " при обкладке свинцом, механические показатели кото­рого весьма низки. Для покрытия свинцом лучше всего подходит второй способ—гомогенное покрытие, которое осущест­вляется наплавлением свинца на предварительно луженую поверх­ность аппарата.

Термодиффузионный способ нанесения металличе­ских покрытий заключается в обработке защищаемой поверхности жидким, твердым (в виде порошка) или газообразным металлом при высокой температуре. Чаще в качестве наносимых металлов применяют алюминий, хром и кремний. Эти операции соответствен­но называют: алитирование, термохромирование (в отличие от электролитического хромирования) и силицирование.

Алитированное железо прекрасно сопротивляется газовой кор­розии до 900— 1000 °С. Оно стойко к парам серы, сернистому газу и другим сернистым соединениям и не оказывает какого-либо действия на спирты и углеводороды при высоких температурах. Однако вследствие хрупкости алитированного слоя последую­щая механическая обработка и сварка алитированных деталей недопустимы, поэтому необходимо алитировать уже готовые аппа­раты.

Термохромированное железо по химической стойкости подобно хромистым сталям, а силицированное—кремнистым.

Надежным способом защиты является плакирование, осу­ществляемое совместной прокаткой или горячим прессованием за­щищаемого металла с металлическим защитным покрытием. За­щитные свойства покрытия практически не отличаются от свойств металла, применяемого для плакирования. Толщина защитного слоя обычно составляет 10—20% от толщины основного металла. Плакированную сталь (биметалл) можно подвергать всем видам механической обработки, в том числе штамповке и сварке. Аппаратура из плакированной стали находит широкое применение в хи­мической промышленности. В настоящее время появилась возмож­ность плакирования тонкими листами титана и тантала.

Неметаллические покрытия. Различаются как по характеру используемого защитного материала, так и по способам их нанесе­ния. Для предохранения поверхностей металлов от коррозионного действия они могут быть подвергнуты эмалированию, футеровке силикатными и другими материалами, защищены резинами (гуммирование), а также пластическими массами.

Эмалирование заключается в покрытии поверхности ме­талла стеклообразной массой — эмалью, получаемой сплавлением кварцевого песка и других материалов с плавнями (бура, поташ, селитра).

Эмаль устойчива в большинстве органических и минеральных кислот, за исключением HF, H₂SiF₆ и НзР0₄, в слабых растворах щелочей, а также практически во всех органических средах. Одно­временно она превосходно защищает среды от вредного действия материала аппаратов. Применение эмали возможно до 300—400 °С, но при этом эмалируемый металл должен иметь определенный со­став и обладать определенным коэффициентом расширения, в про­тивном случае возможно растрескивание эмали.

Главный недостаток эмалевых покрытий—легкость растрескивания эмали при резких колебаниях температуры и механиче­ских воздействиях. При этом следует иметь в виду, что даже не­значительные повреждения слоя эмали быстро прогрессируют: она растрескивается и выкрашивается. Эмалевые покрытия имеют и другие недостатки, в частности относительно высокую стоимость; кроме того, изготовление из них крупных и сложной конфигурации аппаратов и деталей представляет известные трудности, так как сварка эмалированных деталей недопустима.

Для футеровки аппаратуры силикатными материалами ис­пользуют различной формы плитки из фарфора, керамики, диабаза. Чаще всего такая футеровка применяется для защиты стальной аппаратуры, предназначенной для работы с растворами, содержа­щими НС1, а также газообразными агрессивными средами. Футе­ровка заключается в покрытии рабочей поверхности аппарата двумя (реже одним или тремя) слоями кислотоупорных керами­ческих или диабазовых плиток, сцементированных кислотоупор­ными замазками. Последние приготовляют из растворимого стекла, наполнителя—диабазового или базальтового порошка—и ускори­теля процесса схватывания — кремнефтористого натрия.

Для футеровки подготовленную металлическую поверхность промазывают в несколько слоев замазкой и затем укладывают плитки в два-три слоя таким образом, чтобы швы нижнего слоя были перекрыты плитками верхнего слоя. Затем, снова покрывают слоем замазки и производят «окисловку», которая за­ключается в обработке поверхности покрытия кислотой, например 40%-ной H₂S0₄.

Большой интерес представляет футеровка аппарата графито­выми материалами, обладающими высокой теплопроводностью, близкой к теплопроводности углеродистой стали и чугуна. Для такой футеровки применяют замазку повышенной теплопроводно­сти—арзамит (наполнитель—молотый графит). Так как в состав замазки вводят катализатор отверждения (n-толуолсульфохлорид), вызывающий коррозию стали, рекомендуется перед футеровкой стальную поверхность покрывать защитным слоем кислотостой­кого лака, либо раствором жидкого стекла, замешанного с графи­том, либо бакелитовым лаком в смеси с графитом.

Футеровка обеспечивает хорошую защиту от действия разнооб­разных агрессивных сред при высоких температурах. Недостатком этого метода является то, что при наличии даже незначительных трещин, возникающих чаще всего при температурных колебаниях из-за разницы в коэффициентах расширения металла и футе­ровки, агрессивное вещество легко проникает к поверхности ме­талла, разрушает ее, вызывая тем самым разрушение и слоя по­крытия. Для предотвращения этого рекомендовано проводить фу­теровку аппаратов, предварительно обложенных резиной или пластмассой. При этом слой футеровки защищает резину от дей­ствия органических веществ и повышенных температур. Резина же предохраняет футеровку от общего разрушения, компенсируя раз­ницу в коэффициентах расширения металла и футеровки. Такие комбинированные покрытия могут быть не только двух-, но и трехслойными и более.

Весьма эффективным и часто применяемым способом является внутреннее и наружное гуммирование аппаратуры—покры­тие слоем резины.

Достоинство резиновых покрытий заключается в том, что они не только хорошо выдерживают действие различных агрессивных, агентов, но и хорошо противостоят абразивному износу, кавитационным воздействиям, знакопеременным деформациям, а также резким колебаниям температуры.

Наиболее распространенным в настоящее время приемом является обкладка поверхностей аппаратов сырой резиной с последующей вулканизацией. Для этого на тщательно подготовлен­ную—обработанную гравеструйным аппаратом и промытую бензином—поверхность металла наносят несколько слоев клея, после чего накладывают промазанные клеем заготовки из листов сырой резины. После тщательной прикатки резины к поверхности металла для удаления воздуха и устранения неплотностей между металлом и резиной проводят вулканизацию (паром под давлением в автоклаве или кипящей водой при нормальном давлении—в зависи­мости от типа выбранной резины и характера гуммируемого объекта).

Большой интерес представляют обкладочные резины на основе бутадиен-стирольных каучуков, стойкие во многих агрессивных средах, а также резины на основе бутадиеновых и изопреновых каучуков регулярного строения — СКД и СКИ.

Ценными эксплуатационными свойствами обладают обкладочные резины на основе бутадиен-нитрильных каучуков—СКН-18, СКН-26, СКН-40, противостоящие действию бензина и других ор­ганических растворителей, а также характеризующиеся высоким сопротивлением истиранию.

Широко используются в качестве антикоррозионных обкладок резины на основе хлоропренового каучука (наирита). Наиритовые резины характеризуются повышенной стойкостью к действию минеральных и растительных масел, бензина и некоторых других неполярных растворителей (уступая, однако, в этом отношении бутадиен-нитрильным каучукам), повышенной износостойкостью, высокой клеящей способностью. Ценным свойством наирита яв­ляется его способность вполне удовлетворительно вулканизоваться на воздухе при 90—100 °С с помощью окислов металлов. Защитные наиритовые обкладки отличаются хорошим сопротивлением старе­нию и могут эксплуатироваться при контакте с кислотными, щелочными, солевыми и другими агрессивными водными растворами до 70 °С и выдерживать кратковременный перегрев до 90—95 °С.

Очень большое распространение имеют защитные обкладки из листовых материалов на основе полиизобутилена.

Полиизобутилен обладает высокой химической стойкостью к различным агрессивным средам, слабо подвержен тепловому и кислородному старению, отличается высокими водостойкостью и газонепроницаемостью, а также диэлектрическими свойствами, ко­торые, однако, утрачиваются в саженаполненных композициях.

Большим удобством является возможность сварки отдельных листов полиизобутилена, что обеспечивает герметичность защитного слоя. Так как полиизобутилен и смеси на его основе не способны вулканизоваться, полиизобутиленовые покрытия не обладают эла­стичностью, а также имеют невысокую прочность и небольшое сопротивление истиранию.

Для защитных покрытий применяется не собственно полиизобутилен, а смеси его с порошкообразными ингредиентами (сажа, тальк и др.) или термопластичными органическими веществами (полиэтилен, полистирол).

Полиизобутиленовые покрытия, в отличие от обычных резино­вых, очень долговечны.

Обкладки из полиизобутилена с учетом стоимости работ обходятся в 3 раза дешевле, чем обкладки из резины.

Защитные обкладки на основе бутилкаучука превосходятпосвойствам таковые из полиизобутилена вследствие способности подвергаться вулканизации. Резины на основе бутилкаучука вы­держивают действие некоторых органических растворителей, раз­рушающих полиизобутилен и даже бензомаслостойкие бутадиен-нитрильные каучуки. К числу таких растворителей относятся ацетон, анилин, нитробензол и др.

Для защиты оборудования помимо мягких резин применяют твердые резины—эбониты, превосходящие соответствующие им мягкие резины по химической стойкости, теплостойкости и по прочности сцепления с металлом; последним свойством пользуются для крепления резин, применяя эбонит как промежуточный слой. Од­нако эбониты, по сравнению с мягкими резинами, имеют суще­ственные недостатки. Являясь неэластичными материалами, они плохо противостоят абразивному износу, знакопеременным дефор­мациям, ударам и резким температурным перепадам.

Новым простым и прогрессивным методом получения защит­ных резиновых покрытий является гуммирование поверхностей каучуковыми растворами или пастами с последующей термической или холодной вулканизацией пленки. Покрытия наносят кистью или с помощью пульверизатора, окунанием защищаемого предмета в жидкий рабочий состав и другими способами. Полученное такими методами резиновое покрытие не имеет стыков и швов и поэтому однородно по свойствам.

Для гуммирования химической аппаратуры способом окраски применяются различные жидкие каучуки, которые помимо анти­коррозионной защиты широко используются также в качестве герметиков.

Нанесение покрытий из латексов и других дисперсий является перспективным, но еще мало освоенным методом гуммирования. Предназначаемый для покрытий латекс должен быть высококон­центрированным и не слишком вязким, чтобы его можно было наносить способами, применяемыми при нанесении лаков и красок (пульверизацией, наливом, погружением и др.). В латекс должны быть введены все необходимые для получения резины ингре­диенты.

Метод газопламенного напыления заключается в напылении на подогретую защищаемую поверхность порошкообразной смеси каучука, вулканизующих агентов и других необходимых для изго­товления резины ингредиентов при помощи специальной горелки автогенного типа. При соприкосновении с поверхностью смесь рас­плавляется и после остывания образует завулканизованное непро­ницаемое покрытие, прочно соединенное с металлом. Для полу­чения покрытий этим методом пригодны синтетические каучуки, способные превращаться в мелкодисперсный стабильный порошок и при нагревании переходить в вязкотекучее состояние без суще­ственного разложения.

В качестве материалов для защиты аппаратуры широко ис­пользуются и пластмассы: винипласт, полиэтилен, полипропилен, фаолит, асбовинил и др.

Винипласт может применяться для защиты аппаратуры в виде сравнительно тонких пленок (толщиной 0, 5—1 мм), которые наклеиваются на предварительно подготовленную поверхность ме­талла с помощью перхлорвинилового клея (раствор перхлорвиниловой смолы в ацетоне, дихлорэтане или хлористом метилене). Од­нако такой метод обкладки приклеиванием имеет ряд Недостатков, главными из которых являются недостаточная прочность связи с металлом и недостаточная механическая прочность покрытия. Поэтому в ответственных случаях производят футеровку при по­мощи сварных вкладышей из листового винипласта толщинойот2 до 8 мм.

Основным методом получения защитных покрытий из полиэти­лена и полипропилена является газопламенное напыление этих материалов. Разработан также способ нанесения покрытий из полиэтилена и полипропилена вихревым напылением или напыле­нием в псевдоожиженном слое. При вихревом напылении покры­ваемое изделие нагревают до температуры, превышающей темпе­ратуру размягчения полимера, и затем погружают на короткое время в ванну с псевдоожиженным порошком полимера. Послед­ний соприкасаясь с нагретой поверхностью изделия, плавится и образует хорошее и равномерное покрытие. При удалении изделия из псевдоожиженного порошка оплавленное покрытие образует сплошную пленку, толщина которой зависит от времени пребыва­ния изделия в псевдоожиженном слое.

В последнее время применяется способ прокатки металличе­ского листа с нанесением на него с одной или двух сторон слоя полимера (полиэтилена, фторопласта и др.). Такой материал полу­чил название металлопласта.

Асбовинил применяют для обкладки аппаратуры в виде пасты (из асбестового волокна и лака этиноля). Пасту наносят на защищаемую поверхность, затем аппарат выдерживают в сушиль­ной камере для отверждения массы при повышенной температуре в течение трех суток. Толщина покрытия составляет 10—12 мм. Отверждение покрытий на крупногабаритных конструкциях, кото­рые не могут быть помещены в сушильную камеру, проводят на воздухе при обычной температуре, продолжительность отвержде­ния 25—30 сут.

Асбовиниловые покрытия обладают стойкостью к воздействию многих агрессивных сцед, в том числе SO₂, влажного Cl₂, H₂SO₃, Н₂SO₄ (не выше 75%-ной), НС1 всех концентраций, слабых раство­ров NaOH, хлорбензола и др.

Асбовинил может быть применен также в виде подслоя в ком­бинированных футеровках.

Широкое распространение в промышленности нахо­дят бакелитовые покрытия. Они применяются главным об­разом при защите теплообменной аппаратуры от коррозионного действия охлаждающей воды. В бакелитовый лак, представляю­щий собой растворенную в этиловом спирте резольную фенолоформальдегидную смолу, вводят алюминиевую пудру, и получен­ную краску наносят на тщательно подготовленную поверхность металла 3—6 слоями. Каждый из слоев высушивают (отверждают) при определенном температурном режиме. В качестве наполни­теля рекомендуется также графит.