3.1.4. Защита автоклавов от коррозии

Причины коррозионных повреждений автоклавов рассмотрены выше. Поражение корпусов коррозией является типичным эксплуатационным дефектом. Следует отметить, что коррозионные повреждения обнаруживают уже после двух, трех лет эксплуатации автоклава, количество и размеры их со временем увеличиваются. Вместе с тем имеют место случаи и более раннего появления каверн, даже после нескольких месяцев эксплуатации, что может объясняться применением в обрабатываемых материалах известково-песчаных смесей с добавками, содержащими стимуляторы коррозии.

Места преимущественного появления коррозионных повреждений - нижние участки кольцевых швов и околошовных зон и участки внутренней поверхности корпуса по контуру опорных уголков.

Глубина каверн в пределах одного автоклава непостоянна и колеблется в широком диапазоне, достигая в отдельных случаях после длительного срока эксплуатации глубины 7-8 и более миллиметров. Глубокие коррозионные язвы в ряде случаев маскируют развитие трещин, являющихся как бы продолжением этих язв и проникающих на значительную глубину. Такого рода трещины образуются в результате воздействия механических напряжений на предварительно ослабленный коррозией металл.

Высокий уровень растягивающих напряжений способствует интенсификации коррозионных процессов и приводит к появлению меж- или транскристаллитных трещин, что подтверждается обследованиями автоклавов ряда предприятий. Воздействие на металл циклически изменяющихся переменных напряжений и коррозионной среды определяет появление усталостных повреждений при напряжениях, более низких, чем в условиях отсутствия коррозионного воздействия. Трещины появляются обычно на внутренней поверхности автоклава и, углубляясь, могут поразить металл на всю его толщину. Особенно восприимчив к коррозионному растрескиванию металл сварных швов и околошовных зон, что объясняется его относительной неоднородностью и более напряженным состоянием за счет концентрации напряжений, а также за счет локализации остаточных напряжений при сварке.

В реальных условиях эксплуатации автоклавов допустимое число циклов нагружения или соответственно допустимый срок службы не могут быть приняты по известным зависимостям без учета фактора коррозии; допустимое число циклов нагружения должно быть скорректировано в сторону уменьшения под влиянием среды. Конкретные условия работы автоклавов характеризуются коррозионной усталостью металла при малом числе циклов нагружения.

Ресурс безопасной эксплуатации регламентирован "Положением о системе технического диагностирования автоклавов" [93] (далее - Положение). Однако, как показал анализ обследований в процессе эксплуатации, указанная величина в большей мере соответствует предельному сроку службы автоклава. Независимо от длительности цикла срок службы целесообразно ограничить также и по времени, поскольку автоклав большую часть рабочего времени находится под воздействием коррозионной среды - конденсата.

Повышение безопасности эксплуатации автоклавов и продление срока их службы могут быть достигнуты уменьшением или исключением влияния коррозионной среды и снижением величины локальных напряжений. Существенное уменьшение коррозионного поражения достигается непрерывным отводом конденсата, благодаря чему одновременно снижаются напряжения в корпусе автоклава вследствие снижения разницы температур между верхней и нижней образующими корпуса.

Процесс коррозии автоклава по своему характеру является электрохимическим и протекает в щелочной среде с кислородной деполяризацией. Коррозия протекает со значительной скоростью вследствие непрерывного подвода кислорода воздуха и разрушения пассивирующей пленки в случае присутствия в электролите стимуляторов коррозии. В этих условиях важным фактором является катодный контроль, обусловленный только перенапряжением (трудностью) ионизации кислорода.

Эффективным способом защиты автоклавов от коррозии является катодная защита корпуса автоклава, разработанная НИИ строительства Госстроя Эстонской ССР, которая рекомендована для применения на автоклавах промышленности строительных материалов. Суть способа катодной защиты заключается в катодной поляризации корпуса автоклава путем присоединения к нему отрицательного полюса внешнего источника постоянного тока; в конденсате устанавливается специальный стержень - анод, присоединяемый к положительному полюсу источника тока. Присоединение отрицательного полюса источника тока к защищаемой конструкции при наличии специального анода превращает анодные участки коррозионных микро- и макропар в катодные, т. е. происходит катодная поляризация защищаемой конструкции. Благодаря катодной поляризации корпуса разрушению под действием электрохимических процессов подвергается анод, обеспечивая защиту корпуса.

Катодная защита представляет собой электрохимическую систему, в которой, с одной стороны, за счет внешней электрической энергии защищаемая конструкция подвергается катодной поляризации, а с другой - совершаются превращения в электролите. При электролизе в электролите анионы, в том числе ОН, SiO, Сl, SOи NO, концентрируются в зоне анода, а катионы, в том числе Н, концентрируются в зоне катода.

Применение катодной защиты, в которой одновременно имеет место электролиз, позволяет сильно затормозить процессы коррозионной усталости и растрескивания не только за счет катодной поляризации стали, но и в результате отвода от катодно-поляризуемого металла участников химической реакции (анионов) в направлении к аноду. Другими словами, при катодной защите в автоклаве устраняются условия протекания коррозионных процессов и надежность металла корпуса определяется его стойкостью к циклическим нагрузкам. Эффективность катодной защиты тем выше, чем выше электропроводимость электролита (ниже удельное сопротивление), представляющего собой раствор в конденсате солей, вымываемых из обрабатываемых в автоклаве строительных материалов.

Принципиальная схема катодной защиты автоклава от коррозии приведена на рис. 3.6. Она включает источник постоянного тока, балластное сопротивление и анод, помещенный в токопроводящую смесь. Анод представляет собой стальной стержень диаметром 30 мм (может быть применен квадрат соответствующего сечения), прокладываемый внутри автоклава вдоль всего корпуса на уровне подошвы рельса. Подключение анода к положительному полюсу источника выполняют через проходной изолятор, устанавливаемый в корпусе автоклава.

Рис. 3.6. Схема защиты автоклава от коррозии катодной поляризацией корпуса с регулируемым защитным потенциалом:

1 - аноды; 2 - керамзитовый гравий; 3 - песчано-гравийная смесь; 4 - железобетонная плита; 5 - контррельс; 6 - перфорированная дренажная труба; 7 - труба для обогрева нижней части корпуса автоклава; 8 - выпрямитель на 6-12 В.

Балластное сопротивление, равное 0,5 Ом, включается в цепь катодной защиты для ограничения величины тока, которая может существенно возрастать при уменьшении сопротивления автоклавного конденсата. В качестве источника постоянного тока применяют катодную станцию, к которой подключают защиту нескольких автоклавов. Временно (до монтажа катодной станции) может быть использован любой источник постоянного тока напряжением 6-12 В, обеспечивающий ток 8-10 А. Если катодная защита питается от выпрямителя, то подключение его к электрической сети должно выполняться (в целях безопасности персонала, обслуживающего автоклавы) через разделительный трансформатор. Следует твердо помнить, что отрицательный полюс источника тока соединяют с корпусом автоклава, а положительный - с анодом.

Межрельсовую зону автоклава, в которой помещают анод, засыпают смесью песка крупностью 0,6-2,5 мм с керамзитовым гравием фракции 5-10 мм. Замена керамзита щебнем той же фракции нежелательна из-за отсутствия у него сорбционной способности и увеличения массы засыпки. Будучи смоченной водным раствором электролитов, песчано-керамзитовая смесь проводит электрический ток, что является необходимым условием катодной поляризации корпуса автоклава. Кроме того, песчано-керамзитовая смесь, уложенная в нижней части автоклава, выполняет роль фильтра, очищающего автоклавный конденсат от механических примесей, что способствует непрерывному отводу конденсата. Измерения показали, что в конденсате, прошедшем через слой песчано-керамзитовой смеси в автоклаве, остаточное содержание механических примесей не превышает 0,01%.

Устройство катодной защиты включает в себя также принудительный обогрев межрельсовой зоны, что позволяет обеспечить температурный перепад не более 30 °С между верхней и нижней образующими корпуса автоклава в течение всего цикла обработки материалов. Электрохимические процессы коррозии металлов протекают в электропроводных растворах электролитов, поэтому в качестве критерия оценки необходимости применения мер защиты корпуса автоклава от коррозии принята величина удельного электрического сопротивления конденсата 100 Ом·м. Если удельное электрическое сопротивление конденсата меньше 100 Ом·м, автоклавы следует защищать от коррозии.

Критерием защищенности автоклава является поляризационный (защитный) потенциал от - 0,9 до - 1,8 В по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения. По отношению к стальному аноду указанный потенциал должен быть в пределах от - 1,0 до - 1,2 В (измерения производят высокоомным вольтметром при отключенном электропитании катодной защиты).

Защита автоклава от коррозии обеспечивается при непрерывном электроснабжении катодной защиты.

Разработчик катодной защиты рекомендует контролировать не реже одного раза в месяц величину поляризационного потенциала, в случае ее уменьшения - производить увеличение тока в цепи до 4,5-5,0 А. Непрерывность действия защиты оценивается визуально ежедневным контролем показаний амперметров на щите управления. По уровню конденсата в водоуказательном стекле следят за исправностью работы системы непрерывного отвода конденсата, оперативно устраняя возникающие неполадки.

Описанный вариант защиты автоклава от коррозии основан на использовании метода катодной поляризации корпуса от внешнего источника постоянного тока, представляющего собой активный, управляемый процесс защиты металла от коррозии.

Может применяться и другой вариант катодной поляризации (рис. 3.7). В качестве протектора используют алюминиевый лист, укладываемый в межрельсовой зоне автоклава. Сущность процессов защиты аналогична описанным выше. Разность потенциалов возникает при контакте разнородных металлов (алюминий - сталь). Протектор разрушается, защищая от коррозии межрельсовую зону корпуса автоклава. По мере разрушения протектора поляризацинный потенциал снижается, уменьшая эффективность действия защиты от коррозии. Восстановление поляризационного (защитного) потенциала происходит после замены протектора. В работе зазор между протектором и корпусом автоклава засоряется опадающей с обрабатываемых изделий смесью вяжущего и песка, что ухудшает теплопередачу от пара и конденсата к стенке автоклава и как следствие увеличивает разность температур между верхом и низом автоклава. Вопросы обеспечения перепада температур между верхом и низом автоклава не более 45 °С и непрерывного отвода конденсата в комплексе с протекторной защитой пока не решены.

Рис. 3.7. Схема защиты автоклава от коррозии катодной поляризацией корпуса при помощи протектора: 1 - микропористая резина; 2 - протектор (алюминиевый лист); 3 - крепежная полоса; 4 - контактная полоса; 5 - корпус автоклава