CC BY
53
УДК 621.698
А. П. Перекрестов Астраханский государственный технический университет
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УЧЕТЕ СОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ХИМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕРОВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ
Наибольшие потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс, сельское хозяйство, химия, нефтехимия.
Статистика отказов оборудования нефтегазовых систем показывает, что около 70 % из них приходится на повреждения, получаемые вследствие различных видов коррозии [1].
Тем не менее одновременное воздействие коррозии и механических процессов, проходящих при изнашивании, изучено недостаточно. Это в полной мере относится к компрессорному оборудованию, перекачивающему природный газ.
Рассмотрим примерный процентный состав газа на входе первой ступени компрессора КМ-2, стоящей в технологической цепочке очистки и компримирования природного газа Астраханского газоперерабатывающего завода:
Н2О - 0,1...1; ^ - 0,5...0,3; СО2 - 1,01...2,4; N2 - 0,64...1,4; СН4 -
73.49...77.66; С2Н6 - 6,89.9,0; С3Н8 - 7,44.7,92; С4Н10 - 3,07.5,5; С5Н12 -
1.03... 1,52; С6Н14 - 0,2. 0,77: Я^Н (бутилмеркаптан) 0,6.
Расчетный анализ компонентов газа на входе первой ступени компрессора показывает, что при содержании водяных паров 1 % при температуре 49,7 °С начинается конденсация водяных паров, а при содержании водяных паров 1 % при температуре 31,3-34,7 °С начинается конденсация отдельных углеводородов. Кроме того, в состав всасываемого газа попадают малые количества амина (около 0,1 %), применяемого для очистки газа от агрессивных составляющих. При несоблюдении технологического режима или неполадках в системе очистки количество амина может увеличиться до 1 % и более. Все это приводит к возникновению коррозии металлических поверхностей, физико-химические процессы и закономерности протекания которой определяются общими процессами термодинамики и кинетики гетерогенных систем и стандартизированы ГОСТ 9.908-85 (переиздан в феврале 1990 г.).
Рассмотрим наиболее характерные виды коррозии, возникающие при перекачивании природного газа, на которые влияют как внутренние факторы, зависящие от природы металла (структура, состав, метод обработки и т. д.), так и внешние, определяемые составом коррозионной среды и условиями протекания (температура, давление, и т. д.). Коррозионная активность газа определяется содержанием в нем среды - сероводорода и меркаптанов (тиоспиртов с общей формулой (Я-СН)). Эти соединения
вызывают коррозию кобальта, никеля, свинца, олова, меди и других металлов за счет образования на поверхности сульфидов и меркаптанов металла типа Я5-Ме-8Я [1].
Смесь, попадающая в цилиндр компрессора, интенсивно перемешивается, и ее химический состав можно считать достаточно однородным. Именно поэтому для деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) наиболее характерен механизм сплошной коррозии при отсутствии механического изнашивания. При наличии механического изнашивания и различного сопротивлению изнашиванию отдельных структурных составляющих металла может возникать межкристаллитная коррозия. Коррозия металлов в неэлектролитах, к которым относятся смазочные масла, при наличии влаги, даже в незначительных количествах, создает агрессивную среду, химическая коррозия переходит в электрохимическую, и процесс окисления металла ускоряется. При циклических изменениях напряжений в поверхностных слоях металла, вызываемых силами трения между движущимися относительно друг друга деталями, может возникать коррозионная усталость. Происходит снижение предела усталости металла.
Интенсивность изнашивания при механическом воздействии среды, когда химические и тепловые процессы не имеют решающего значения, целесообразно находить в виде зависимостей [2]:
3, = / (Ф , Ф , Ф , Ф ), (1)
пт ^ У а’ см’ у’ т' > \ '
т /Р
где Фа =----- или Фа =------ - комплексы, характеризующие напряженное
НВ НВ
состояние контакта, безразмерную площадь фактического касания тел; Р -нормальное контактное давление; НВ - твердость материала; / - коэффициент трения скольжения;
Фсм - П/х - комплекс, определяющий относительную толщину смазочного слоя в контакте (П - толщина смазочного слоя; х - характерный
размер (диаметр) режущей абразивной частицы или приведенный размер
шероховатости; х = Яа = (Л^ + Л2)'2 где и Яа - среднеарифметические отклонения шероховатостей);
Фу = £,т/с0 - комплекс, используемый для характеристики усталостной прочности трущихся поверхностей (£, - коэффициент, зависящий от коэффициента трения / и напряженного состояния в контакте; с0 - предел усталости материала в данных условиях трения); Фсм - комплекс шероховатости;
Лт
гЬ1
Фт-----, Ь и и - параметры опорной кривой; г - приведенный ра-
диус неровностей.
Средняя интенсивность изнашивания деталей ЦПГ при возвратнопоступательном движении является функцией многих переменных, обработка которых методом теории размерностей приводит к следующему критериальному уравнению, предложенному в [3-5]:
3п = К • ФсмХ • Фн. су • Фмг • ФврУ • Фф.-х кФ , (2)
где К - коэффициент пропорциональности; Фсм - критерий, определяющий величину смазочного слоя; Фн. с - комплекс, характеризующий напряженное состояние в месте контакта поршневого кольца и втулки; Фвр - комплекс, учитывающий временные характеристики контакта; Фм - комплекс, учитывающий микрогеометрию, маслоемкость; Фф.-х к - комплекс, характеризующий физико-химические процессы, протекающие на трущихся поверхностях, разрушение граничных смазочных и модифицированных материалов; Фсм - определяет относительную толщину смазочного слоя.
Н
Ф = см
см
лК+я,'
где Нсм - толщина смазочного слоя различной природы; Яа , Яа - среднеарифметическое отклонение профиля шероховатостей контактирующих поверхностей.
р
Фнс = —,
НВ
где Р - нормальное напряжение сжатия; НВ - твердость поверхности.
Ф = «тах
г • Ъ1/и ’
где Ятах - наибольшая высота неровностей профиля; Ъ и и - параметры опорной кривой; г - приведенный радиус неровностей.
^ Тр
фвр = ^Г,
Тв
где тр - время разрушения защитных пленок различной природы; тв - время их восстановления.
Фф-х . = ^ ,
где Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура поверхности в месте износа; Q - теплота адсорбции для граничных смазочных слоев.
Интенсивность изнашивания материалов при физико-химических превращениях в области контакта [2, 6].
'Аф.-х _ Кф.-х
/ \т
( РУх0 ' НВёф у
пП • II, (3)
где РУ'1(0 = Пкин - кинетический фактор, безразмерное время физико-
НВй Ф
химических превращений в области контакта; Ц = Ц,. ад - при граничной смазке адсорбционной природы; Ц = Ц,. х - при химическом модифицировании и образовании защитных пленок в результате действия присадок; 1Й - временной симплекс, выраженный через отношение характерных факторов времени; т, п, у - показатели степени в первом приближени, равные 1; р - нормальное напряжение сжатия (давления); НВ - твердость наименее твердого материала; У - относительная скорость перемещения в области контакта; т0 - постоянная величина, равная периоду тепловых колебаний атомов твердых веществ (т0 = 10 -13с); й Ф - средний диаметр пятна физического контакта; Кф _х - физико-химический коэффициент.
При изучении изнашивания для компрессоров, перекачивающих газовую среду с содержанием сероводорода, коррозия от его воздействия на трущиеся поверхности очень значительна.
Скорость проникновенная коррозии (ГОСТ 5272-68) зависит от состава серосодержащей среды, влажности, рН, температуры, давления и скорости потока. Доминирующим фактором развития коррозионных процессов является химический состав среды. Наиболее важным коррозионным компонентом кислого природного газа является сероводород.
Как правило, газовая коррозия протекает по химическому механизму. Химическая коррозия металлов - это самопроизвольный окислительновосстановительный процесс, подчиняющийся законам гетерогенных химических реакций, которые осуществляются в одном акте в точке взаимодействия металла с компонентом агрессивной среды, который выступает в роли окислителя, акцептора электронов. В процессе реакции он восстанавливается. В данном случае в присутствии влаги окислителя выступает Н,8.
Бе + Н,8 = Бе8 + Н,
Наиболее часто химический механизм реализуется в процессах газовой коррозии и в жидкой среде неэлектролитов.
При контакте металла с газами, содержащими до 0,05 % Н2О, на поверхности металла находится только физико-химически связанная вода.
Для металлов, использующихся для изготовления деталей и узлов, находящихся под воздействием коррозионной среды, наблюдается параболическая зависимость скорости во времени. Приближенно по возрастанию устойчивости к газовой коррозии в атмосфере воздуха можно расположить в ряд следующие металлы: W < Бе < Со < Си < N1. К этой же группе относятся и Мп, Ве, 2п, Т [7].
К настоящему времени не разработаны методы, учитывающие химические эффекты, зависящие от состава базовых смазочных материалов и присадок, химических свойств взаимодействующих поверхностей, содержания влаги в окружающей среде [2].
В окончательном виде формулу интенсивности изнашивания трущихся пар с учетом сероводородной коррозии можно представить в виде
Лф.-х = Кф.-х • Фкин" • Фгр. ад” • Фгр. хФ • ФЛ (4)
ру.
где Кф -х - коэффициент; Фкин = -----— - кинетический фактор (в случае
ИЕйФ
сероводородной коррозии в Фкин введем уточнение: У - скорость проникновения коррозии (ГОСТ 5272-68));
Л КГ „ „
Фгр. ад = ~— комплекс, характеризующий свойства граничной смазки; Фгр х = КГ - комплекс, учитывающий химическую модификацию
Е
и образование защитных поверхностных соединений в результате трения и действия присадок к смазочным материалам (Ех - энергия активации распада межатомных связей химически модифицированных слоев);
Фт = —— временной комплекс (симплекс);
^г.к
Гтк - время трибокоррозии в контакте; к - время газовой коррозии поверхности.
Изучение коррозионных свойств сероводорода и композиций в масло МС-20 для антикоррозионной защиты
Для определения воздействия трибокоррозии на интенсивность изнашивания конструкционных материалов проводились испытания в среде сероводорода при давлении 0,1 МПа и масле МС-20 в соответствии с методикой [8, 9]. Для определения воздействия ингибиторов коррозии на процесс изнашивания в масло добавлялись композиции в соответствии с таблицей.
Состав пакета композиций № 2, 5, 7 к маслу МС-20
Компонент композиции Состав масс, %
2 5 7
ИНФАНГАЗ-1 50 50 50
ФОМ-9 50
Д-4 50
Д-5 50
Полученные данные свидетельствуют об уменьшении интенсивности изнашивания (рис.) при введении композиций, особенно в области повышенных давлений.
-МС-20 + воздух -МС-20 + Н2Б -МС-20 + №2 -МС-20 + № 5 -МС-20 + №7
Давление, МПа
Зависимость скорости изнашивания трущихся поверхностей от давления между образцами при испытании на машине трения МП-1
Выводы
1. При изучении изнашивания материалов трущихся пар в агрессивной среде сероводорода необходимо учитывать коррозию трущихся поверхностей.
2. При прогнозировании интенсивности изнашивания трущихся пар в условиях сероводородной трибокоррозии необходимо в кинетический критерий вводить величину скорости проникновения коррозии.
3. При введении в смазочную среду ингибиторов коррозии скорость износа материала трущихся пар уменьшается.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И. В. Семеновой. - М.: Физматлит, 2002. - 336 с.
2. Дроздов Ю. Н., Павлов В. Г., Пучков В. Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справ. - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.
3. Клемушин Ф. М. Применение триботехнических инвариантов для расчета интенсивности поверхностного разрушения цилиндропоршневой пары двигателей внутреннего сгорания // Поверхность. Физика. Химия. Механика. - 1993. -№ 1. - С. 121-124.
4. Когаев В. П., Дроздов Ю. Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. пособие для машиностроит. вузов. - М.: Высш. шк., 1991. - 319 с.
5. Дроздов Ю. Н. Ключевые инварианты в расчетах интенсивности изнашивания при трении // Машиноведение. - 1980. - № 2. - С. 93-99.
6. Прикладная механика: Учеб. для вузов / В. В. Джамай, Ю. Н. Дроздов, Е. А. Самойлов и др.: Под ред. В. В. Джамая. - М.: Дрофа, 2004. - 414 с.
7. Гафаров Н. А., Гончаров А. А., Кушнаренко В. М. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтяных месторождений / Под. ред. В. М. Кушна-ренко. - М.: ОАО «Изд-во «Недра», 1998. - 479 с.
8. Перекрестов А. П., Кривоносов В. А. Прогнозирование изнашивания поршневой группы компрессора в условиях сероводородной коррозии // Вестн. машиностроения. - 2003. - № 2. - С. 29-31.
9. Перекрестов А. П., Кривоносов В. А. Моделирование процесса изнашивания в агрессивной среде // Вестн. машиностроения. - 2004. - № 1. - С. 29-31.
Получено 29.12.05
MATERIAL WEAR RATE INFLUENCED BY SULFURATED HYDROGEN CORROSION WITH REGARD TO SORPTION PROCESSES AND CHEMICAL MODIFICATIONS
A. P. Perecrestov
There have been considered equations for wear rate of tri-bological situations, which allow to forecast wear rate of a cylinder in a compressor transferring natural gas. The article has shown influence of sulphurated hydrogen corrosion on the material of tribological situations, test results of admixture with corrosion inhibitor.
