Анализ влияния абразивной пыли на работоспособность датчиков-сигнализаторов
У. В. ПЕСТУНОВА – инженер-расчетчик ООО «ТехПромАрма»
К. А. МЯГКОВ – специалист по вычислительному моделированию ООО «Идеал ПЛМ СиАйЭс»
В статье дано описание последствий критического заполнения газохода. Описана важность установки в газоход сигнализатора уровня пыли. Описана вероятность оседания абразивной пыли на сигнализаторе уровня. Установлена возможность взаимодействия между собой компонентов, входящих в составы абразивной пыли и сигнализатора уровня в газоходе. Установлены последствия этого влияния на конструкцию сигнализатора уровня. Проанализировано влияние абразивной пыли на материал сигнализатора уровня в газоходе, а также влияние воздуха на составляющие газохода.
Ключевые слова: коррозия, эрозия, абразивная пыль – воздух, сигнализаторы уровня, оксиды, сплавы, реакция компонентов.
Промышленные фильтры различных конструкций (электрофильтры, сухие, мокрые и т.д.), устанавливаются на предприятиях нефтегазовой отрасли, машиностроении, черной и цветной металлургии, химической промышленности и предназначены для высокоэффективной очистки технологических газов и аспирационного воздуха от твердых или жидких частиц, выделяющихся при технологических процессах. Для подачи рабочей среды в фильтр используются газоходы различного поперечного сечения и материала. Одной, из наиболее часто встречающихся аварийных ситуаций в процессе эксплуатации газохода является его критическая заполняемость пылью, которая ведет к разрушению конструкции.
Во избежание аварий в газоходе устанавливают сигнализатор уровня пыли для того, чтобы сигнализировать о критическом наполнении газохода.
Для полноценной и безаварийной работы сигнализатора уровня следует провести ряд анализов коррозионного влияния компонентов оседающей пыли на материал, из которого изготовлен сигнализатор, а также эрозионное влияние потока.
Данная работа рассматривает только коррозионное воздействие.
Целью работы является определение возможности взаимодействия между собой элементов, входящих в составы пыли и сигнализатора. Определить последствия этого влияния на конструкцию сигнализатора.
Предварительный газодинамический анализ показал образование вихревых зон при обтекании потока газа с абразивной пылью сигнализатора. Вихреобразования достигают поверхности сигнализатора, тем самым подтверждая вероятность оседания пыли на нем. Граничными условиями для данной постановке были: основная среда, с которой поступает абразивная пыль – воздух. Температура среды −20°С, процесс изотермический. Скорость потока 22 м/с, концентрация пыли 10 г/м3. Общий вид конструкции газохода представлен на рис. 1.
Согласно протоколу испытаний, химический состав пыли показан в табл. 1. В работе рассматриваются два варианта исполнения сигнализатора: из стали 40х13 (химический состав представлен в табл. 2) и стали 12Х18Н10Т (химический состав представлен в табл. 3).
Рис. 1. Общий вид газохода с сигнализатором уровня пыли
Таблица 1. Результаты испытаний - Химический состав абразивной пыли
Таблица 2. Химический состав стали 40Х13
Таблица 3. Химический состав стали 12Х18Н10Т
Na2O, MgO, K2O, CaO – основные оксиды; реагируют с водой, кислотами, кислотными и амфотерными оксидами. Реакции протекают при высоких температурах (250-1200°С). CaO поглощает влагу и углекислый газ из воздуха.
Al2O3, Cr2O3 – амфотерные оксиды, кислотные и основные свойства равно выражены. Не реагируют с водой, разбавленными кислотами и щелочами. Переводятся в раствор концентрированными кислотами и щелочами, реагируют со щелочами и карбонатом натрия при сплавлении.
FeO, Fe2O3 – амфотерные оксиды с большим преобладанием основных свойств. Не реагирует с водой. Оксид железа (II) разлагается кислотами, сплавляется со щелочами; медленно окисляется во влажном воздухе; восстанавливается водородом, коксом. Оксид железа (III) медленно реагирует с кислотами и щелочами; восстанавливается водородом, монооксидом углерода, расплавленным железом, сероводородом. Реакции протекают при высоких температурах (400°С и выше).
MnO – оксид марганца проявляет слабые амфотерные свойства (преобладают признаки основных соединений). Взаимодействует с кислотами. С водой не реагирует.
TiO2 – оксид титана (IV) химически стоек; не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами. Разлагается горячей концентрированной серной кислотой, фтороводородной кислотой, горячими щелочами. При высоких температурах реагирует с карбонатами и оксидами металлов (800–1300°С). Восстанавливается водородом, монооксидом углерода, титаном.
V2O5 – оксид ванадия (V) проявляет амфотерные свойства (с преобладанием кислотных). Очень мало реагирует с водой; взаимодействует с кислотами, щелочами. Восстанавливается водородом, кальцием и углеродом при высокой температуре (400-950°С).
SiO2, P2O5 – кислотные оксиды. Оксид кремния (IV) практически не реагирует с водой, распространенными кислотами; реагирует со щелочами в растворе и при сплавлении; восстанавливается коксом, магнием, железом (при 700–1900°С). Оксид фосфора (V) энергично реагирует с водой, щелочами.
Feобщ – обычное железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), чистое железо коррозии не подвергается. Не реагирует с водой, пассивируется в концентрированных серной и азотной кислотах.
Sобщ – сера не растворяется в воде и при обычных условиях не реагирует с ней, хорошо растворима в сероуглероде. Реагирует как окислитель с металлами и неметаллами, а как восстановитель – с фтором, кислородом и кислотами. Реакции идут при высокой температуре (130-700°С).
Cобщ – углерод реагирует с водяным паром, кислотами-окислителями. Типичный восстановитель при сплавлении, реагирует с кислородом, оксидами металлов и солями. Восстанавливается водородом и металлами. Реакции протекают при высоких температурах (600-1700°С).
Аналогично вышеприведенному описанию, следует рассмотреть свойства компонентов, входящих в состав материалов сигнализаторов уровня пыли.
Сплав железа с углеродом – сталь 0,02-2,06% С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, P, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Mn, Ni, Cr), что придает сплаву железа технически полезные свойства – твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Согласно табл. 3, во втором варианте исполнения сигнализатора присутствуют также титан и медь.
Титан (Ti) обладает высокой коррозионной стойкостью. В обычных условиях устойчив на воздухе (не тускнеет), при нагревании покрывается оксидно-нитридной пленкой. Пассивируется в воде, разбавленных серной и азотной кислотах. Не реагирует с разбавленными щелочами, гидратом аммиака. Реагирует с водяным паром, концентрированными кислотами, концентрированными щелочами, галогенами, фосфором, углеродов, кремнием. Но данные реакции идут с высокой температурой (800-1500°С).
Медь (Cu) не изменяется на воздухе в отсутствии влаги и CO2, при нагревании тускнеет (образование оксидной пленки). Не реагирует с водой, разбавленными кислотами. Окисляется концентрированными кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, оксидами неметаллов (окисление происходит при температуре выше 200°С).
В табл. 4 представлен ряд активности металлов. Ряд напряжений используется для сравнительной (относительной) оценки химической активности металлов в реакциях с водными растворами солей и кислот. Металлы, стоящие левее, являются более сильными восстановителями, чем металлы, расположенные правее: они вытесняют последние из растворов солей.
Таблица 4. Ряд активности металлов - Электрохимический ряд напряжений металлов
Помимо свойств компонентов абразивной пыли и материалов сигнализаторов, рассмотрим свойства тех компонентов, которые входят в состав основной среды – воздуха.
Состав воздуха (по объему): Азот (N2) – 78,09%; Кислород (O2) – 20,95%; Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, в основном аргон) – 0,93%; Углекислый газ (СO2) – 0,03%.
Азот (N2) плохо растворяется в воде. В обычных условиях химически пассивный; не реагирует с кислотами, щелочами, серой. В незначительной степени реагирует с водородом и кислородом при действии электрического разряда.
Кислород (O2) плохо растворяется в воде. Реакционноспособный, особенно при повышенных температурах; реагирует с большинство металлов и неметаллов, окисляет многие неорганические соединения.
Химическая коррозия металлов – это самопроизвольное взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Этот вид коррозии наблюдается при действии на металлы сухих газов (воздуха, продуктов горения топлива и др.) и жидких неэлектролитов и (нефти, бензина и др.) и является гетерогенной химической реакцией жидкой или газообразной среды (или их окислительных компонентов) с металлом.
Железо может медленно окисляться во влажном воздухе (ржавеет), из-за рыхлости коричневой ржавчины (FeIIFe2III)O4 защитный слой не создается.
Процесс ржавления:
Таким образом, ввиду вышесказанного, можно сделать следующие выводы – возникновение солей на сигнализаторах маловероятно, так как большинство реакций идут при высоких температурах. Большая часть сигнализаторов состоит из железа (Fe), и оно не будет реагировать с солями, так как по ряду активности металлов он стоит правее тех металлов, которые присутствуют в пыли, следовательно, железо (Fe) не вытеснит их. Так как в данной системе (воздух-пыль-сигнализатор) отсутствуют растворы, то какие-либо реакции не будут протекать. Воздух не взаимодействует с абразивной пылью, потому что для протекания реакций требуются высокие температуры.
Если говорить об абразивной пыли, то она не повлияет на сигнализаторы всех рассмотренных материальных исполнений при данных условиях (температура −20°С).
Если говорить о воздухе, то в данных условиях возникновение коррозии маловероятно. Существенное влияние на скорость процессов химической коррозии металлов оказывает температура. С повышением температуры процессы окисления металлов протекают значительно быстрее. Если в газоход попадет влага, то железо будет подвергаться коррозии (ржаветь).
ЛИТЕРАТУРА:
- Блинков И. О., Блинков О. Г., Сериков Д. Ю. Оценка результативности внедрения инноваций как фактора конкурентного иммунитета промышленного предприятия // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2019. – №4. – с. 48–51.
- ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
- Мягков К. А., Танненберг Н. В., Гаффанов Р. Ф., Сериков Д. Ю. Оценка напряжено-деформируемого состояния участка трубопровода, с установленным на нем стабилизатором давления, в условиях возникновения и распространения гидравлического удара // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2018. – №1. – с. 46–52.
- Лидин Р. А., Аликберова Л. Ю. Химия: Справочник для школьников и поступающих в вузы / Р. А. Лидин, Л. Ю. Аликберова. – М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2014. – с. 512.
- Маслин А. И., Новиков А. С., Сериков Д. Ю. Повышение эффективности нефтепромыслового оборудования // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2018. – №4. – с. 9–15.
- Бердоносов С. С., Менделеева Е. А. Химия. Новейший справочник. – М.: Махаон, 2006. – с. 368.
- Гаффанов Р. Ф., Щенятский А. В., Сериков Д. Ю. Анализ проблем расчета запорной арматуры с нанесенным на нее коррозионным покрытием // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2016. – №7. – с. 23–27.
Статья в формате pdf →
-
119991, Москва,Ленинский пр., д. 65, корп. 1
- ☎ +7 (499) 507-88-88
- com@gubkin.ru
- gubkin.ru
