Влияние параметров окружающей среды на коррозионные процессы оборудования животноводческих ферм

Введение. Работоспособность металлоконструкций, окрашенных защитными покрытиями, зависит от многих факторов, которые непосредственно влияют как на дол- говечность лакокрасочного покрытия, так и на конструкцию изделия. Часто при выборе лакокрасочного покрытия не учитывают такие параметры, влияющие на ресурс покрытия, как влажность, температура и состав окружающей среды. Даже при учете известных факторов, воздействующих на лакокрасочное покрытие, не всегда гарантирована защита изделия из-за специфических условий эксплуатации различного технологического оборудования.

Так, на животноводческих фермах во время кормления животных в зимнее время при заезде и выезде кормораздатчика в помещение проникает холодный воздух. При смешивании воздуха помещения с холодным воздухом атмосферы выпадает конденсат, который оседает на металлические конструкции, окрашенные защитными покрытиями. Конденсат концентрируется в капельки росы и насыщается агрессивными примесями из окружающей среды помещения и атмосферы. На лакокрасочные покрытия и детали конструкции начинают оказывать влияние дополнительные факторы, которые не были учтены при выборе покрытия [1].

Положение многих животноводческих комплексов усугубляется тем, что они построены с нарушениями установленных нормативов или даже переоборудованы из других хозяйственных построек. Например, птичник переоборудуют в коровник, и все показатели состояния и состава окружающей среды меняются. Нормативные требования невозможно соблюсти из-за того, что для содержания крупного рогатого скота необходимы другие объемы помещения, вентиляция, системы водоснабжения и наво-зоудаления.

Поэтому в подразделениях животноводческих комплексов часто причиной высокой скорости коррозионных процессов металлических конструкций является несоответствие вида лакокрасочного покрытия условиям эксплуатационных параметров и изменчивости агрессивности окружающей среды.

Цель исследования : установление зависимостей скорости коррозии металлических конструкций от типа лакокрасочного покрытия и параметров окружающей среды.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи исследования :

• 1)    подобрать основные показатели, определяющие скорость коррозии металлоконструкций;

• 2)    сформулировать модели протекания процессов коррозии с учетом параметров окружающей среды;

• 3)    обосновать возможность применения данной модели на практике.

Условия и методы исследования. Решение поставленных задач производилось на основе рекомендаций по применению лакокрасочных покрытий, нормативов наличия агрессивных факторов окружающей среды на животноводческих фермах.

Применение конкретного лакокрасочного покрытия допускается только в тех условиях, которые указаны заводом-изготовителем. Однако эти условия на этикетке товара описаны довольно обобщенно. В связи с этим подобрать тип лакокрасочного средства для определенных условий проблематично даже специалисту [2].

В большинстве случаев на животноводческих фермах при длительном воздействии коррозионных процессов на металлоконструкции их проще заменить, чем ремонтировать. Это происходит из-за того, что преобладает локальная коррозия, способствующая потере металла по всей поверхности оборудования. Если неправильно подобрано лакокрасочное покрытие, не определено присутствие агрессивных факторов окружающей среды и мероприятия по обслуживанию металлоконструкций не проводятся, ресурс оборудования резко сокращается.

Для определения периодичности технического обслуживания металлоконструкций необходимо знать скорость коррозии в конкретных условиях. Для определения скорости коррозии ( С ) обычно используем формулу [1]

С — h/т об , (1)

где h - средняя глубина проникновения коррозии в металл, мм/год; Ф об - время эксплуатации объекта, годы.

Это выражение является основным для определения скорости коррозии металлического оборудования. Но оно в качестве математической модели определения скорости коррозии в условиях животноводческих ферм не учитывает многих параметров состава и состояния окружающей среды помещения. В обобщенном виде принимается

С — А ф , (2)

где А, т - эмпирические коэффициенты, которые являются функциями, определяющими параметры среды и материалов.

В условиях животноводческих ферм на скорость коррозии влияние оказывают такие параметры, как концентрация агрессивных примесей в окружающей среде. Наибольшее влияние на ускорение процессов коррозии оказывает концентрация диоксидов серы SO 2 , хлоридов Bci и аммиака NH 3 . Тогда математическая модель будет иметь следующий вид:

М С = а ( C so ₂ + C _N н₃ )^т + v , (3)

где М С - скорость коррозионных процессов по чистому металлу в определенный момент времени, когда будут учитываться только те условия, которые влияют на скорость коррозии, мм/год; а , - параметры, определяемые для каждого конкретного материала; так, для стали марки ст. 3 кп а = 0,095 мм/год, т = 0,52; C _{so 2}, C _{N н}^ В _{С 1} - нормальная концентрация примесей в атмосфере животноводческих ферм, С $₀₂ = 0,015 мг/м³, C _NH3 = 0,3 мг/м³, В _С1 = 0,000286 мм/год.

Если учитывать тот факт, что коррозионный процесс не может проходить без повреждения фазовой пленки, необходимо добавить время сохранения этой защитной пленки Т ф , которое составляет 4000 ч/год [3].

М с = [ а ( С о ₂ ^{+ C} N н ₃) ⁺ ~^] Фф , ⁽⁴⁾

где М _с – скорость коррозионных процессов по чистому металлу, мм/год.

Коррозионный процесс начнется только после того, как разрушится лакокрасочное покрытие. Для определения защитной функции лакокрасочного покрытия необходимо найти его срок службы:

Я д

в Пг'

Л       • ^ э 'Сэ

= А • е^тэ

,

где Н_д - срок службы защитного лакокрасочного покрытия, годы; А, В, и , m - эмпирические коэффициенты, которые являются функциями, определяющими параметры среды и материалов; Т _э - температура, ⁰К; э - - относительная влажность воздуха, %; С _э – концентрация агрессивной среды, %.

На основании данной зависимости можно выразить уравнение, с помощью которого находится долговечность комбинированного защитного покрытия металла от коррозии:

^    (            А ’ если Т э — Т ст ^; Э ₃ — с]т_т ^; С э — С ст              (gj

А А • е^    , если Тэ < ТСт < Тэ; э< < сс/з < э}з; Сэ < Сст < Сэ где А, В, , - эмпирические коэффициенты, которые являются функциями, определяющими параметры среды и материалов; Тст – температура, которую рекомендует производитель для защитного покрытия, ◦К; тт - относительная влажность воздуха, при которой производитель рекомендует эксплуатацию данного вида покрытия, %; Сст – концентрация агрессивной среды, процентное соотношение которой рекомендует производитель для защитного покрытия, %.

Если влажность, температура и агрессивность среды животноводческой фермы соответствуют условиям, рекомендованным для покрытия, срок службы будет соответствовать регламентируемому. В случае несоответствия этих факторов лакокрасочное покрытие может изменить свой ресурс.

На основании зависимостей (1), (4), (6) получили уравнение, позволяющее определить скорость коррозии объекта, изготовленного из металла и защищенного лакокрасочным покрытием:

С — (к б - Н ё М с , мм/год. (7)

Данная модель позволяет определить срок службы металлоконструкций в условиях животноводческих ферм с учетом таких факторов окружающей среды, как агрессивные примеси, влажность и температура.

Результаты исследования. Достоверность математической модели, полученной в результате теоретических исследований, подтверждена экспериментально. Предприятие, характерное для животноводческой зоны региона, выбрано в восточной группе районов Красноярского края. Окрашенные детали периодически контролировались в течение 4 лет. Величину коррозии фиксировали по методике, изложенной в работе [4]. Нанесение лакокрасочного покрытия осуществлялось по следующей технологии.

Окраска осуществлялась в три этапа:

– поверхностная механическая очистка от слоистой ржавчины;

– нанесение преобразователя ржавчины ЭВА-0112;

– окраска в два слоя эмалью ПФ-133.

Для определения зависимости глубины проникновения коррозионных разрушений металла щитков на разном удалении участков от наибольшей вибрации развертку поверхности детали разбили на три участка. При визуальном обнаружении локальных разрушений (каверн, язв, питтингов) минимальное число измерений составляло n ≥ 100, при этом доверительная вероятность составляла 0,8 и максимально допустимая ошибка – 0,05.

На рисунке представлена схема расположения точек измерения и глубины проникновения коррозии по всей длине защитного щитка, на который нанесли лакокрасочное покрытие по преобразователю ржавчины ЭВА-0112 и его эксплуатации изделия в течение 4 лет.

h,mm

а

б

Участки

Схема расположения точек измерения и глубин проникновения коррозии на развертке щитка: а – расположение на развертке защитного щитка участков измерения остаточной толщины металла;

б – глубина коррозионных повреждений в точках измерений, мм

Глубину проникновения коррозии металла определяли толщиномером марки EASY-CHECK FN. Используя статистические методы обработки опытных данных, определили коэффициенты вариации и среднеквадратичные отклонения. Статистические данные по значениям глубин повреждений, распределенных по различным участкам развертки щитков, приведены в таблице, где n – число измерений на каждом участке развертки; ℎ̅ – средняя глубина проникновения коррозии в металл, равная разности начальной толщины металла защитного щитка, которая составляла 3 мм, и остаточной толщиной, измеренной после 4 лет эксплуатации, мм; σ – среднеквадратичное отклонение, мм; υh – коэффициент вариации [1].

Статистические характеристики глубин повреждений щитка после 4 лет эксплуатации

Способ ремонта	Номер участка	Статистические характеристики
		n	ℎ̅ , мм	σ, мм	υ h
Нанесение преобразователя ржавчины ЭВА-0112 + 2 слоя ПФ-133	1	30	0,64	0,343	0,54
	2	36	0,6	0,305	0,51
	3	34	0,57	0,331	0,58

Проанализировав величину проникновения коррозии за 4 года – экспериментальную ℎ̅ и расчетную (0,59 мм), можно увидеть, что математическая модель адекватно отражает процесс развития коррозии в агрессивной среде. Некоторое отклонение на различных участках щитка объясняется различной степенью вибрации детали, учет которой планируется применить в дальнейших исследо- ваниях. Разработанная математическая модель позволит теоретически обосновать и сократить время эксперимента по определению скорости коррозии, а также определить срок службы лакокрасочного покрытия и ресурс металлоконструкции в целом.

Выводы

• 1.    Скорость коррозии металлоконструкций зависит от типа лакокрасочного покрытия, состава и состояния окружающей среды, таких как влажность, температура, концентрации примесей воздуха, своевременного проведения технических обслуживаний металлоконструкций, а так же интенсивности вибрации.

• 2.    Сформулирована модель протекания процессов коррозии с учетом параметров окружающей среды, которая позволяет определить скорость коррозии металла, защищенного лакокрасочным покрытием. Расчет по данной модели позволяет получить точный результат даже без практических экспериментов. Результат расчета глубины коррозии модели составил 0,59 мм, а средний при эксперименте – 0,60 мм.

• 3.    Доказана возможность применения данной модели на практике для выбора приемлемой композиции лакокрасочного покрытия.