Совершенствование технологии производства и применения протекторов из магниевых сплавов для электрохимической защиты

17.07.2019

Коррозия морских и подземных металлических сооружений и конструкций наносит огромный материальный ущерб, исчисляемый только по отечественным данным многими сотнями миллионов рублей в год. Именно поэтому большое внимание уделяется созданию и применению протекторной защиты, которая для рассматриваемых объектов является одним из наиболее простых, надежных, технико-экономически обоснованных и радикальных методов борьбы с коррозией.

В решении указанной проблемы большая роль принадлежит протекторам из магниевых сплавов. Это объясняется тем, что магниевые сплавы имеют высокий и стабильный во времени и при анодной поляризации электроотрицательный потенциал (1200—1400 мВ) при необходимом защитном потенциале углеродистых и низколегированных сталей, равном в основном 600 мВ. Столь высокий избыток разности потенциалов между протектором и защищаемым металлом обеспечивает возможность создания протекторной защиты металлических объектов, эксплуатирующихся в морской воде соленостью ниже 10%, и почве, имеющей низкую электропроводность.

Однако известные сплавы на основе магния имеют небольшой КПД (30—40%) и не обеспечивают возможность создания долговременной экономически выгодной системы протекторной защиты, Поэтому для решения этой проблемы был выполнен весь необходимый комплекс научно-исследовательских, опытно-конструкторских, технологических и организационных работ по созданию и широкому внедрению протекторов из магниевых сплавов, основные обобщенные итоговые результаты которых и рассматриваются ниже.

Поисковые работы. Проведены широкие исследования электрохимических характеристик различных композиций сплавов на основе магния технической и высокой чистоты. Установлено, что только магниевые сплавы высокой чистоты могут рассматриваться в качестве материала для изготовления протекторов. Это достаточно убедительно основывается на примере рассмотрения промышленных сплавов (табл. 1), которые ранее предполагали использовать для литья протекторов. Как видно, все изученные сплавы имеют высокие и близкие по величине потенциалы. Поэтому критерием для сравнительной оценки и выбора протекторных сплавов на основе магния является коэффициент полезного использования (КПД) или токоотдача. По этому критерию лучший сплав — марка МЛ4вч, поэтому он был принят за основу для установления максимально допустимого содержания примесей.

Обобщенные результаты экспериментов показали (рис. 1), что в условиях установившейся анодной активности максимально допустимое содержание примесей составляет: железо — 0,003%, никель — 0,001%, медь — 0,005%. Указанное критическое содержание сохраняется и при совместном присутствии примесей.

Опыт применения протекторов обратил внимание специалистов на нестабильность их токоотдачи и в ряде случаев неравномерный язвенный характер растворения. Проведенные контрольные анализы позволили высказать предположение о возможном отрицательном влиянии неметаллических включений, что в дальнейшем подтвердилось.

Результаты исследований, представленные на рис. 2, показали, что присутствующие в сплаве хлориды щелочных и щелочноземельных металлов, а также растворенный в сплаве водород вызывают уменьшение токоотдачи. Причем с ростом содержания неметаллических примесей повышается неравномерный характер растворения протекторов, наблюдаются значительные колебания (заштрихованные области на рис. 2) и снижение токоотдачи сплавов.

Установлено, что в натурных протекторах содержание неметаллических примесей не должно превышать: хлор-иона — 0,05%, водорода — 15 см3/100 г.

Для выбора технологии отливки протекторов, обеспечивающей наибольший КПД, были проведены эксперименты по установлению влияния скорости охлаждения на электрохимические свойства сплава МЛ4вч. Установлено, что режимы литья при поляризации образцов сплава оказывают несущественное влияние на потенциал, который составлял 1230—1250 мВ. С увеличением температуры литья и скорости охлаждения потенциал немного смещается в отрицательную сторону, а КПД растет (рис. 3), достигая предела (61%) при температуре литья 700—750° и скорости охлаждения 1000—1700 град/мин.

По-видимому, измельчение структуры приводит к более равномерному распределению вторичных интерметаллических фаз, что уменьшает скорость растворения твердого раствора за счет уменьшения и выравнивания локальных микропар.

Обнаруженная зависимость подтверждает правильность разработанной ранее технологии отливки магниевых протекторов в водоохлаждаемые кокили.

Обнаруженная при изучении влияния режимов литья роль микроструктуры в анодном процессе растворения сплавов была уточнена на основании исследований электрохимических характеристик модифицированного сплава МЛ4вч (табл. 2). Установлено, что только обработка титаном и цирконием повышает КПИ сплава за счет измельчения структуры, обеспечения относительно равномерного распределения фазовых составляющих и соответственно стабильного во времени характера растворения протекторов.

Рассмотренные выше результаты были подтверждены на натурных протекторах после их многолетних эксплуатационных испытаний на морских судах, подземных и морских сооружениях и конструкциях. Полученные результаты позволили выбрать для широкого внедрения сплав, имеющий высокие электрохимические характеристики и не уступающий лучшим зарубежным образцам (табл. 3). В некоторых случаях, когда электропроводность среды невелика, рекомендуется использование сплава более низкой чистоты. Однако это исключение в большинстве случаев технико-экономически не обосновано.

Опытно-конструкторские работы. Для разработки протекторной защиты необходимо иметь протекторы, удовлетворяющие требованиям по зоне защитного действия и сроку службы. Систематизация условий эксплуатации морских судов, различных морских и подземных металлических сооружений и конструкций позволила разработать типовой ряд конструкций протекторов в соответствии с современными требованиями, предъявляемыми к системам протекторной защиты.

Для защиты морских судов, сооружений и конструкций разработано девять конструкций протекторов семнадцати типоразмеров массой от 1 до 60 кг.

Имея зону защитного действия от 10 до 100 м2 и срок службы от 1 до 10 лет, массу от 1 до 60 кг, они обеспечивают возможность создания оптимальной протекторной защиты любых морских объектов.

Следует лишь отметить, что применение протекторов из магниевых сплавов технико-экономически наиболее целесообразно для объектов, эксплуатирующихся в морской воде с удельной электропроводностью ниже 1,5 Ом-1*м-1. В остальных случаях должны применяться протекторы из алюминиевых или цинковых сплавов. Для защиты подземных металлических сооружений разработаны конструкции протекторов трех типоразмеров массой от 5 до 20 кг.

Для обеспечения эффективной и стабильной работы протектора его устанавливают не непосредственно в грунт, а в активатор из расчета 2 кг активатора на 1 кг протектора. При использовании активатора достигается более высокий по абсолютной величине и более стабильный во времени потенциал протектора. При этом устраняется образование на поверхности протектора труднорастворимых пленок, достигается равномерное растворение протектора по всей поверхности, снижается переходное сопротивление протектор — грунт. В качестве активатора применяется смесь, состоящая из 25% эпсомита, 25% строительного гипса и 50% бентонитовой глины.

Протектор с проводником вместе с порошкообразным активатором помещается в хлопчатобумажный мешок. В таком виде комплектные протекторы изготавливаются трех типоразмеров.

Для защиты днища внутренней поверхности резервуаров от коррозии в пластовой и подтоварной воде разработана одна конструкция протектора. Следует лишь отметить, что указанный протектор должен применяться только для взрывопожаробезопасных резервуаров.

Для защиты морских нефтепромысловых сооружений разработана конструкция протектора четырех типоразмеров массой от 10 до 65 кг. Они имеют зону защитного действия 33—47 м2 и срок службы 1,5—6,4 года. Путем группового соединения обеспечена возможность увеличения как срока службы, так и зоны защитного действия протекторов.

Таким образом, разработаны конструкции протекторов, обеспечивающие возможность создания систем защиты от коррозии различных морских и подземных металлических объектов. Следует отметить, что при разработке конструкций учтены требования по обеспечению простоты технологии литья протекторов.

Технологические проработки. Как показано выше, к магниевому протекторному сплаву предъявляются высокие требования по содержанию примесей. Одновременно большое значение придается стабилизации качества протекторов в процессе литья. Поэтому были выполнены исследования при отработке всех процессов с целью организации производства протекторов.

Были выполнены теоретические, экспериментальные и практические разработки, на основании которых создана технология глубокой очистки магниевых сплавов от металлических примесей. Разработана технология плавки и литья протекторов в полном соответствии с установленными выше режимами по оптимизации электрохимических свойств. Дальнейшие работы в этом направлении должны обеспечить введение регламента по максимально допустимому содержанию неметаллических примесей.

Для организации производства необходимо было разработать литейную оснастку и технологию литья. Решение этих вопросов усложнялось многообразием конструкций и типоразмеров протекторов, нестабильной и неодинаковой потребностью в них.

При выборе литейной оснастки рассматривался вопрос отливки протекторов в водоохлаждаемые и неводоохлаждаемые кокили, изложницы. Наиболее приемлемым оказался способ отливки протекторов массой более 10 кг в водоохлаждаемые стальные изложницы, а протекторов меньшей массы — в чугунные неводоохлаждаемые.

Основные требования, предъявляемые к конструкции литейной оснастки, были следующие: литниковая система должна создавать благоприятные условия для спокойного и плавного входа жидкого металла в форму, обеспечивать направленное затвердевание отливки, задерживать попадание окисных и флюсовых включений в отливку, а также не должна вызывать образование тепловых и усадочных напряжений. Отливка опытно-промышленных плавок показала, что оптимальная система подвода жидкого металла в форму — вертикально-щелевая, обеспечивающая направленность затвердевания, поскольку заполнение формы металлом происходит снизу вверх. Это особенно важно для широкоинтервальных сплавов, к которым относится магниевый сплав системы Mg—Al—Zn—Mn.

За последние годы проведены работы по разработке и совершенствованию технологии механизированной отливки протекторов всех типов. Для отливки морских протекторов и протекторов для защиты нефтепромысловых сооружений была внедрена технологическая схема CMT — КЭН — КМ, где CMT — тигельная печь сопротивления; КЭН — кондукционный электромагнитный насос; KM — карусельная машина.

Карусельная машина представляет собой вращающийся стол, в центральной части которого проходит вертикальная труба, предназначенная для подвода и отвода воды. Изложницы, установленные на стол, разделены на четыре самостоятельные секции охлаждения. Стол карусельной машины приводится во вращение с помощью электродвигателя.

Перед разливкой сплава изложницы карусельной машины очищают от окалины и шлама и прогревают горячей водой до температуры 60° С, трубопровод насоса нагревают до краспого каления, после чего в метал-лопроводе насоса создают вакуум, и жидкий сплав поступает в изложницы. Подачу сплава прекращают путем снятия нагрузки и перекрытия всасывающего патрубка клапаном. Сплав в каждую изложницу подают несколько раз; вначале подают основную массу, а затем восполняют усадку. Температура сплава в печи регулируется автоматически.

Для отливки протекторов для защиты газонефтепроводов была принята схема CMT — ЛК, где ЛK — литейный конвейер. По данной схеме сплав готовят в печах СМТ, затем тигель устанавливают в поворотную обогреваемую шахту литейного конвейера и сплав разливают в изложницы. Эта схема позволяет механизировать операции транспортировки сплава к изложнице, заливку сплава, а также удаление протекторов из изложницы.

В период освоения были уточнены параметры процесса разливки: температура литья 690—700° С, продолжительность разливки 1 т сплава 30—35 мин, температура удаляемого протектора 320—360° С.

В настоящее время более 90% всего выпуска протекторов отливается механизированным способом.

Разработанная технология механизированного производства протекторов позволила повысить производительность труда, уменьшить потери металла, улучшить условия труда и повысить культуру производства.

За последние годы (с 1971 по 1976 г.) объем производства протекторов возрос в 2 раза и составляет более 20% от выпуска товарной магниевой продукции и по качеству удовлетворяет требованиям потребителя.

Таким образом, проведенные комплексные исследования позволили разработать и внедрить в производство протекторные сплавы, обладающие высокими электрохимическими свойствами, механизировать их отливку, а также организовать централизованное промышленное производство всех типов протекторов из магниевых сплавов.

Дальнейшие работы должны проводиться в направлении изыскания сплавов с КПИ 70—80%, расширения областей и объема применения магниевых протекторов в народном хозяйстве.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна