Повышение безопасности объектов производства серной кислоты за счёт использования химически стойких стеклопластиков

Многие аналитики предсказывают, что наступивший XXI век войдет в историю, как век техногенных катастроф, которые уже в настоящее время происходят с частотой 60(К700 случаев в год. На сегодняшний день ни одна, даже самая высокоразвитая страна, не застрахована от подобных несчастий. Технический прогресс остановить не возможно, и, невзирая на серьезную потенциальную опасность некоторых современных производств, они продолжают развиваться. С развитием научно — технического прогресса в промышленности наблюдается устойчивая тенденция роста числа аварий с всё более тяжёлыми экологическими, экономическими и социальными последствиями. Это в полной мере относится и к объектам химической технологии.

Поэтому проблема обеспечения безопасной эксплуатации и повышения надёжности промышленных машин и оборудования в настоящий момент является одной из актуальнейших, а техническая безопасность выдвигается в число основных требований, предъявляемых к эксплуатируемым промышленным объектам.

Одной из основных причин возникновения аварий и выхода из строя промышленных объектов и конструкций является их износ вследствие коррозионных разрушений. Особенно интенсивной коррозии подвержено оборудование химической и нефтехимической отраслей промышленности. Экономические потери от коррозии достигли размеров, сравнимых с вложениями в развитие крупных отраслей производства и даже превосходят их.

В свете решения проблемы антикоррозионной защиты промышленных объектов одной из приоритетных задач является задача подбора и использования новых перспективных коррозионноустойчивых материалов. Традиционная система антикоррозионной защиты оборудования химических производств до сегодняшнего дня остаётся одной из самых технически трудоёмких, уязвимых с точки зрения аварийности и безопасности, и, к сожалению, — далеко не самой эффективной.

Производство серной кислоты характеризуется высокой потенциальной опасностью и достаточно высокой вероятностью возникновения аварийных ситуаций как в условиях эксплуатации производства, так и при ремонте оборудования. Одной из основных причин, обуславливающих высокую потенциальную опасность сернокислотного производства, является обращение в технологическом процессе большого количества токсичных веществ (H2S, SO2, S03, вода, NH3, H2SO4, NaOH, КОН, NH4OH), их высокая коррозионная активность, а также недостаточная химическая стойкость материалов, из которых изготовлены конструкции и оборудование. При конструировании элементов оборудования производства серной кислоты до настоящего времени используются конструкционные стали различных марок, в большинстве случаев Ст 3, а в качестве защитно — изоляционных материалов достаточно часто применяют свинец, кислотоупорный кирпич и винилпласт.

В условиях одновременного воздействия высокоагрессивных сред и высоких температур надёжность применяемых материалов и традиционных методов защиты от коррозии невелика. Так, например, нормативный срок службы для некоторых важных элементов оборудования сернокислотных производств, в частности, газоходов, по которым транспортируется контактный газ, установлен не более 5 лет, а ресурс материалов лежит в пределах 2-И лет.

Проблему предупреждения коррозионного разрушения оборудования и обеспечения безопасности химических производств зачастую целесообразно решать путем проведения реконструкции действующих объектов с использованием материалов, способных противостоять воздействию агрессивных сред. При проектировании новых объектов необходимы новые подходы к выбору материалов для аппаратурного оформления подобных производств. Особый интерес для решения данной задачи представляют композиционные материалы, производство которых в последние 20 лет развивается очень интенсивно, но темпы внедрения данных материалов в отечественную промышленность совершенно недостаточны, что определено целым рядом объективных причин.

Анализ свойств современных композиционных материалов показал, что для условий производства серной кислоты весьма перспективно использование химстойких стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол группы Norpol Dion. Необходимым условием для внедрения новых материалов в индустриальную практику является объективная оценка их химической стойкости, безотказности и ресурса в соответствии с действующими нормативными документами. При этом появляется необходимость проведения специальных исследований коррозионной устойчивости композитов, используемых для созданий химстойкого слоя, в конкретной рабочей среде, а также физико-механических характеристик композита внешнего слоя для расчета его несущей способности.

Настоящая работа посвящена изучению возможности применения химстойких стеклопластиков для изготовления элементов оборудования производств серной кислоты с целью повышения безопасности как при эксплуатации производства, так и при проведении ремонтных работ. С этой целью было проведено экспериментальное исследование химической устойчивости антикоррозионного стеклопластика, изготовленного на основе смолы марки Norpol Dion-9100, применительно к условиям сернокислотного производства. Условия испытаний были выбраны исходя из режимов работы оборудования действующей установки производства серной кислоты. Испытания проводились одновременно как в лабораторных условиях на экспериментальной установке (форсированные испытания при температурах 120 и 150 °С), так и в производственных условиях непосредственно на установке (натурные испытания).

Результаты обоих видов испытаний показали, что смола марки Norpol Dion — 9100, а также изготовленный на основе этой смолы стеклопластик АКПЭС — 9100 характеризуются высокой антикоррозионной стойкостью и стабильностью своих физико-механических свойств в условиях воздействия сернистого газа при температурах до 110 °C. Это позволяет рекомендовать данный стеклопластик для использования в качестве защитного химстойкого слоя при реконструкции оборудования сернокислотных производств.

Конструктивно изделия из стеклопластиков обычно представляют из себя многослойный ламинат. При изготовлении изделия внешний и внутренний слои могут выполняться из разных смол и (или) разных армирующих наполнителей. При этом внутренний слой обычно выполняет функции антикоррозионного барьера между агрессивной средой и несущей частью конструкции. После химстойкого слоя сооружается несущий слой ламината, который воспринимает действующие на конструкцию нагрузки, поэтому его толщина зависит как от условий нагружения конструкции, так и от физико-механических характеристик самого материала. Предпочтительно изготовлять несущий слой ламината из той же смолы, которая используется для химстойкого слоя, однако зачастую внешний слой выполняется и из менее стойких, но с лучшими физико-механическими свойствами или более дешевых смол.

Большое влияние на прочностные свойства стеклопластика оказывают параметры технологического процесса формования, определяющие такие свойства ламината, как постоянство соотношения долей смолы и стекла, степень пропитки и уплотнения материала, режим отверждения связующего, величину захвата воздуха и т. д. Для сооружения силового несущего слоя элементов оборудования сернокислотных производств представляется целесообразным использовать стеклопластик на основе ненасыщенной полиэфирной смолы Norpol 420 — М 750. Поэтому в данном исследовании ставилась также задача экспериментального изучения основных физико-механических свойств стеклопластика на основе этой смолы. При этом накладывалось ограничение, чтобы образцы для испытаний изготавливались в конкретных производственно — технологических условиях для исследования влияния структуры и соотношения слоев слоистого пластика на прочностные характеристики материала. Было установлено, что при наличии химстойкого слоя стеклопластик из смолы Norpol 420 — М 750 может с успехом выполнять ершовые функции, обеспечивая несущую способность конструкции, и может быть рекомендован в качестве конструкционного материала при проведении реконструкции оборудования сернокислотных производств.

Настоящая работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Казанского государственного технологического университета. Автор считает своим долгом выразить благодарность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору Эдуарду Шархиевичу Телякову за постоянное внимание и практическую помощь при выполнении работы.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Для эксплуатационных условий опасных сернокислотных производств в качестве материала конструкций, работающих в области температур ниже 100−110°С, в качестве конструкционного материала может быть рекомендовано использование композиционных стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол марки Norpol.

2. Экспериментально исследованы характеристики коррозионной устойчивости смолы Norpol Dion — 9100 и стеклопластиков на ее основе в среде сернистого газа и серного ангидрида при температурах до 150 °C.

3. На основе экспериментальных данных установлены константы кинетического уравнения деструкции связующего для исследованного стеклопластика в среде сернистого газа и серного ангидрида. Показано, что стеклопластик АКПЭС-9100 обеспечивает химическую стойкость защитного слоя многослойных конструкций при температурах до 110 °C в течение не менее 20 лет для конкретных рабочих условий сернокислотного производства, что намного превосходит ресурс изделий из традиционных материалов.

4. Данные экспериментальных исследований подтверждены промышленными испытаниями на действующей установке по производству серной кислоты.

5. Экспериментально исследованы физико — механические характеристики стеклопластика на основе смолы Norpol 420 — М 750, который может быть рекомендован в качестве силового (несущего) слоя многослойных стеклопластиковых конструкций.

6. Выданы и внедрены в цехе 59−20 цеха № 34 производства топлив ОАО «НК НПЗ» рекомендации по замене существующего газохода Б1-Б2 между промывными башнями на многослойную конструкцию их композиционного материала (химстойкий стеклопластик на основе смолы Norpol Dion — 9100 толщиной 7 мм, конструкционный стеклопластик на основе смолы Norpol 420 -М 750 толщиной 8 мм, огнестойкий стеклопластик на основе смолы Norpol 840 850 толщиной 2мм).

7. Разработана и внедрена система проведения неразрушающего контроля и диагностирования технического состояния стеклопластикового газохода на стадиях его изготовления, эксплуатации и обслуживания (ремонта). Соответствующая программа действует на предприятии с 2004 г.

8. Промышленная эксплуатация внедренного газохода в течение 4 лет подтвердила высокую эффективность использованного решения, в том числе в части резкого снижения рисков, связанных с проведением ремонтных работ, и повышения общей безопасности производства.

9. Результаты проведенного исследования позволяют проводить обоснованное проектирование реконструкции действующих и строительства новых объектов с использованием в качестве конструкционных материалов современных стеклопластиков.

10. Внедрение стеклопластиковых конструкций в сернокислотное производства позволяет существенно повысить и экономическую эффективность капитальных вложений в новое строительство.