Выбор материала для футеровки химических аппаратов

Мы поможем Вам в этом, уважаемые коллеги, сделав это в отношении фторполимеров, называемых также фторопластами.

Фторопластовую футеровку можно использовать для защиты различных ёмкостей с внутренними устройствами и без них, для колонных аппаратов различного типа, для реак-торов, для ванн в гальванике и для травления, а также для фильтров, теплообменных аппаратов. Фторопласты обладают высокой химической стойкостью. Их можно использовать при высоких температурах, например, ф-4 и ф-50 могут работать при температуре до 260оС. Фторопласты являются прекрасным антиадгезионным материалом. Однако, защи-та внутренних поверхностей химических аппаратов листами из фторопластов из-за их относительно высокой стоимости применяется преимущественно в тех случаях, когда для интенсификации тепловых и массообменных процессов требуется поднять температуру выше температуры применимости традиционных пластмасс, при работе с особо чистыми веществами или для исключения прилипания используемых рабочих сред к стенкам аппарата.

Для футеровки химических аппаратов могут быть использованы технологии нанесения покрытий напылением и ротационным формованием термопластичных фторполимеров, а также применения вкладышей, устанавливаемых свободно или приклеиваемых к корпусу аппарата. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки, есть предпочтительные области применения каждого способа. По надёжности и величине стоимости наибольшими преимуществами обладает футеровка аппаратов вкладышами.

У нас в стране самое широкое применение находит использование в качестве футеровки листов из фторопласта-4 (ф-4, суспензионный политетрафторэтилен, ПТФЭ) и из модифицированного фторопласта-4 (ф-4М). Ф-4 самый дешёвый фторопласт благодаря крупнотоннажности его производства. Это и самый химически стойкий полимер. Но это и самый трудный для переработки фторполимер, изделия из которого могут иметь разброс свойств в очень широком диапазоне в зависимости от свойств исходного порошка, от способов и режимов изготовления. Освоенные способы изготовления листов из ф-4 и ф-4М в России и в Китае не позволяют использовать их с требуемой надёжностью, когда в состав рабочей среды входят водород, гелий, бром или хлороформ из-за высокой проницаемости этих веществ через футеровку вследствие недостаточно плотной структуры материала и имеющих место дефектов в структуре материала. По нашему опыту для этих сред нужны особые режимы изготовления листов, удорожающих стоимость изготовления. Ф-4М имеет более низкую проницаемость, чем ф-4, благодаря более плотной структуре материала, но вопросы проницаемости именно этих указанных сред через листы из ф-4М практически не исследовались.

Стоимость листов из ф-4 и ф-4М сейчас доходит до 70 евро за 1 кг с НДС.

Сварку ф-4 и ф-4М производят диффузионным способом с нагревом свариваемых участков до температуры порядка 380оС со сдавливанием деталей по их границам в течение определённого времени. В книгах и журналах это широко описано. Здесь есть небольшие особенности, связанные с тем, что для каждого вида шва с учётом его геометрических размеров нужна своя технология, свои режимы сварки, специальные оснастка и приспособления для создания необходимого давления на свариваемых поверхностях. Для успешного использования футеровки из ф-4 необходимо знать специфические свойства материала и предысторию их придания свариваемым деталям. Эти знания приобретаются в основном опытным путём.

Наши специалисты обладают опытом разработки ряда технологий сварки фторполимеров и изготовления работоспособных аппаратов, футерованных фторопластами. Об уровне наших технологий можно судить по прочности при растяжении сварных швов, превышающей прочность материала свариваемых деталей. На приводимых фотографиях видны некоторые из футерованных аппаратов. Из наиболее значимых работ стоит отметить соз-дание серии различных аппаратов с футеровкой из ф-4 для Баксанской нейтринной обсерватории РАН, в частности для галлий-германиевого нейтринного телескопа для изучения процессов, происходящих внутри Солнца, уже более двух десятков лет они успешно работают недалеко от Эльбруса. Этот телескоп по праву признан «жемчужиной Российской науки».

К сложностям сварки ф-4 следует отнести необходимость использования нагревателей, как правило электрических, максимально приближенных к свариваемым поверхностям деталей и с равномерным полем температур.

При использовании листов из ф-4 длина шва ограничена шириной свариваемых листов при сворачивании их в обечайки для футеровки царг. Максимальная ширина изготавливаемых листов в России равна 1750 мм, а в Китае – 2000 мм. Это не единственное ограничение по высоте царг для аппаратов. Ф-4 имеет коэффициент линейного термического расширения (КЛТР), на порядок, превышающий КЛТР стали, поэтому свободные вкладыши, расширяясь по высоте царги, вызывают большие напряжения в местах отбортовки футеровки на фланцы царги. Немецкая фирма SGL, использующая для футеровки фторопласт марки TFM 1705 (у нас был создан аналог как одна из разновидностей ф-4М), проверяет способность разбортовки противостоять циклическим колебаниям температуры путём проведения испытаний на многократные перегибы образцов. Немцы на своём двадцатилетнем опыте проверили, что при отсутствии разрушения образцов в течение 10 000 циклов деформирования футеровка работает без образования трещин в районе разбортовки в течение 10 лет. В образцах, вырезанных из отечественных листов, изготовленных из специально отобранных партий порошка ф-4, возникли микротрещины при изгибах около 8 000 деформаций. Образцы из рядовых партий при точно таких же испытаниях иногда не выдерживают и 1500 циклов. Кроме этого, в отечественных и китайских строганных листах заложены большие внутренние напряжения, которые вызывают коробление листов и сваренных обечаек при нагреве. Специально проведённые испытание на опытных царгах, футерованных листами из отечественного ф-4, с диаметром 1 м и высотой 1 м показали, что указанные коробления при нагреве выше 100оС вызывают образование больших вздутий вовнутрь царги. В одном из проспектов фирмы SGL показано, к каким «схлопнувшимся» складкам это приводит после подачи среды под давлением в аппарат. В этих складках образуются микротрещины и разрыхлённая структура материала футеровки. Опытным путём установлено, что высота царг с футеровкой из отечественного ф-4 и ф-4М, а также из китайских листов при температуре рабочей среды выше 100оС не должна превышать 500 мм. Можно представить себе, к какому удорожанию аппарата приводит необходимость создания фланцевых разъёмов через каждые 500 мм. Весьма нежелательным является необходимость выполнения днища аппарата соединяемым с корпусом на фланцах, что предъявляет особо жёсткие требования к герметизации фланцевых соединений. А с этим как раз при футеровке из ф-4 имеются проблемы, не решённые регламентируемыми способами. Дело в том, что при работе с агрессивными средами аппарат является по закону Российской Федерации опасным производственным объектом и подпадает, как правило, под необходимость получения «Разрешения на применение», выдаваемого Ростехнадзором. А здесь не всё благополучно. Расчёт фланцевых соединений таких аппаратов на прочность и герметичность должен производиться по ГОСТ Р 52857.4, в котором указаны величина максимально допускаемого давления на прокладку из ф-4, равная 40 МПа, минимальная величина давления на такую прокладку, равная 10 МПА, которая обеспечивает герметичность соединения, и модуль упругости ф-4 при сжатии, равный 2000 МПа. А «собака зарыта» вот в чём. Есть ГОСТ 10007-80. «Фторопласт-4. Технические условия», в котором указано, что разрушающим напряжением при сжатии ф-4 является величина, равная 11,8 МПа. А если вспомнить приписку к каждому ГОСТу времён советской власти о том, что нарушение ГОСТа преследуется по закону, то становится «весело»: Ростехнадзором допускается работа прокладки при напряжении в материале, в не-сколько раз превышающем разрушающее значение. Разбортовка у футеровки из ф-4 работает в качестве сдвоенной, т.е. составной прокладки. Материал отбортовки при отгибании её на зеркало фланца деформирован с разрыхлением структуры материала. Хватит ли при этом минимального давления на составную прокладку, равного 10 МПа? Не будет ли про-кладка выдавливаться наружу? Никто не знает. Действие ГОСТ Р 52857.4 на такие про-кладки не распространено. И ещё более интересное: модуль упругости ф-4 согласно ГОСТ 10007-80 равен 636,5 МПа, т.е. «в разы» меньше, чем в нормативном документы на расчёт фланцев. При фактическом измерении выявлено, что этот модуль зависит ещё и от температуры: в диапазоне от -40 до 140оС он изменяется в шесть раз, зависит от способа изготовления футеровки и от скорости деформирования листов при сжатии. При обращении в Ростехнадзор за разъяснениями нам было предложено разбираться в этом с разработчика-ми ГОСТ Р 52857.4. Разработчики ответили, что ответ будет стоить несколько тысяч, не поясняя, что будет в ответе, а на звонки специалистам было получено заверение, что каждая цифра в ГОСТ Р 52857.4 «получена кровью». Сейчас, как говорится: «воз и ныне там». А самое интересное состоит в том, что ни один из главных конструкторов проектных ор-ганизаций, занимающихся разработкой химических аппаратов, с которыми мы сталкивались и пытались выяснить их мнение по этим вопросам, не только не желает разбираться в этих вопросах, но даже и не пытается вникнуть в суть проблемы.


Отечественные и китайские порошки ф-4 имеют во многих партиях инородные включения, практически не выявляемые в состоянии поставки, в том числе и металлические, а также частицы со структурой, известно под названием «шиш-кебаб» или «балеринок», которые приводят к образованию в листах чёрных, тёмных, жёлтых, матовых и прозрачных точек и пятен, хорошо видимых невооружённым глазом в проходящем свете. Эти дефекты в структуре материала листов имеют повышенную проницаемость рабочих сред, особенно находящихся в газовой фазе. Дефектные места являются источниками загрязнения рабочих сред. Они же являются концентраторами механических напряжений, приводящими к образованию магистральных микротрещин в районе разбортовки как в процессе получения разбортовки, так и при колебании температуры в аппарате.

При наличии разрежения в аппарате свободные вкладыши могут деформироваься вовнутрь, образуя вздутия, размер которых зависит от величины разрежения, температуры среды, диаметра и толщины футеровки. Для предотвращения такого коробления фирма SGL вставляет с внутренней стороны фторопластовой футеровки царги из графита. Есть способы выравнивания давления с обеих сторон футеровки. Есть авторское свидетельство СССР, согласно которому между футеровкой и металлическим корпусом заливают жид-кость с определёнными свойствами. Иногда идут на приклейку футеровки к корпусу, об-рабатывая поверхность листа из ф-4 специальными химическими комплексами, например, включающими использование металлического натрия. В каждом конкретном случае выбирают оптимальное решение.


Вот краткий обзор состояния на сегодня вопросов по использованию футеровки фторопластом-4 химических аппаратов. К сожалению, и трубопроводов, и насосов, и арматуры тоже.

Когда говорят о невозможности составления конкуренции фторопласту-4 со стороны более дорогих термопластичных фторполимеров для футеровки химических аппаратов, то, по большому счёту, можно сказать, что конкурировать-то пока и не с чем. С «недоделанным» не конкурируют, а просто решают стоящие перед потребителем конкретные технические задачи, преодолевая то, что решить «путём» с использованием ф-4 пока не удаётся.

Указанные ограничения и недостатки по использованию футеровки из ф-4 с течением времени, скорее всего, всё же будут как-то решаться. Однако сейчас это приводит к необходимости рассмотреть возможность использования футеровки химических аппаратов и из термопластичных фторполимеров, что очень широко применяется сейчас за границей. Особенно остро это необходимо, когда надо находить какие-либо технические решения в следующих случаях:

  • Когда нужна футеровка стенок аппарата без разъёмов с высотой более 2 м.
  • Когда нужна футеровка аппаратов с глухим дном или со сферическими и коническими днищами.
  • Когда нужно защитить аппараты со сложными геометрическими формами.
  • Когда необходимо расположить большое количество штуцеров на ограниченном пространстве.
  • Когда внутри аппарата нужны внутренние опоры для тарелок, а их вынужденное размещение во фланцевых разъёмах крайне нежелательно.
  • Когда внутри аппарата нужны близко расположенные отбойники, нужны распределители потоков газов или жидкостей, пережимы, переливы, перегородки, расширители и т.п. И всё это надо опирать на футеровку или крепить к ней;
  • Когда нужны армированные опуски футерованных труб для ввода рабочих веществ в заданное по высоте место через крышку аппарата, да ещё нужно закрепить их от раскачивания под действием перемешиваемой мешалкой рабочей среды.
  • Когда надо футеровать мешалки.
  • Когда желательно, чтобы футеровка выполняла только роль химической защиты, а на износостойкость чтобы работали быстро заменяемые детали, в том числе из специаль-ных сталей, титана, керамики, которые крепятся в нужных местах к футеровке на опорах или с помощью подвесок, недоступных для истирания абразивной рабочей средой.
  • Когда нужна особая чистота получаемых продуктов в аппаратах (см. выше о включениях в листах из ф-4).
  • Когда наличие футеровки мешает подводу или отводу тепла через традиционные «рубашки». Устанавливаемые внутри теплообменники могут быть выполнены в виде так называемых «трубок Фильда», которые возможно изготовить с использованием фторполимеров. Их надо закреплять неподвижно при наличии в аппарате мешалки. Это легко сделать, если футеровка выполнена из термопластичного полимера.
  • Когда используют термопласты в качестве материала для футеровки, конструкции узлов уплотнения ввода мешалки в аппарат имеют более работоспособные решения, чем при использовании ф-4.
  • Когда нужен более долговечный материал по сравнению с полипропиленом, при-меняемым для футеровки гальванических ванн.

Данные по химической стойкости зарубежных термопластичных фторполимеров вполне доступны и обычно приводятся в каталогах и проспектах фирм-производителей. Химическая стойкость этих полимеров зависит от процентного содержания компонентов среды, от температуры эксплуатации и от марки фторполимера. Во многих случаях зарубежные фирмы имеют базовый полимер каждой марки и его модификации для типичных случаев применения, для разных технологий изготовления различных изделий. С фирмой SIMONA AG нами достигнута договорённость о выдаче её специалистами нам заключений о применимости той или иной марки термопластичного фторполимера в заданных условиях работы по температуре, давлению, конфигурации и размерам конкретного химического аппарата, особенно в случае использования сложной по составу рабочей среды с разной концентрацией её составляющих. Фирма даёт заключение на основании заполнен-ных нами опросных листов. Наши специалисты прошли стажировку на немецких фирмах SGL и SIMONA AG. На фирме SIMONA AG нашими работниками получены личные сертификаты по сварке термопластичных фторполимеров.

Основные свойства фторполимеров, применяемых для защиты оборудования, приведены в таблице. Эти данные взяты из различных источников и являются ориетировочными. Они получены для стандартных образцов. Свойства реальных изделий во многом за-висят от свойств использованной конкретной марки фторопласта данного вида, от технологии и режимов изготовления изделий, от размеров и формы образцов и от условий определения показателей.

Свойства фторполимеров

Показатель Ед. изме-рения ПТФЭ Ф-4 PVDF Ф-2М ECTFE Ф-30 ЕТFE ф-40 FEP Ф-4МБ PFA Ф-50 Поли-пропилен
Плотность г/см3 2,16 1,76 1,69 1,72 2,15 2,15 0,9-0,91
Разрушающее напряжение при растяжении МПа 14-35 38-52   35-50 16-31 28-30 250-400
Относительное удлинение при разрыве % 250-500 200 200 150-400 240-350 300 200-800
Твердость по Шору (шкала D) - 50-59 77-80 75 45-60 55 55 110
Коэффициент линейного термического расширения материала 10-5 К-1 25 12,5-14 7 6-9 10 14 11
Температура плавления °С 327 175 240 260-275 275 305 160-170
Интервал рабо-чих температур °С от -269°С до +260°С от -40°С до +150°С от -76°С до +160°С от -100°С до +170°С от -190°С до +205°С от -260°С до +260°С от – 5 до +120
Удельное объемное электрическое сопротивление Ом*см 1018-1020 5*1014 1015 5*1014-1015 1016 1018 1016-1017

Остальные свойства этих фторполимеров практически не являются определяющими для работы и выбора материала футеровки. При необходимости получения дополнитель-ной информации мы можем её выслать по отдельному запросу. Возможно предоставление образцов со сварными швами для их испытания в специфических условиях эксплуатации у Заказчика по договору.

В России до сего времени были выпущены опытные партии листов только из ф-2М. Стабильного и удовлетворительного качества листов так и не было достигнуто. Из-за низ-кого качества производимых в России термопластичных фторполимеров из остальных ви-дов производить листы даже не пытались, насколько нам известно. За рубежом выпуск листов, труб и сварочных прутков различной конфигурации из термопластичных фторпо-лимеров производится рядом фирм в Европе и в Азии.

Сварные швы всех известных на сегодня типов при сварке термопластичных материа-лов получают с использованием сварочного прутка и местного нагрева воздухом краёв свариваемых деталей аналогично всем известной сварке прутком винипласта. Это позво-ляет производить сварку прямо в самом аппарате «по месту». Освоенные нами режимы сварки обеспечивают получение свойств сварного шва в соответствии с требованиями не-мецких стандартов DVS для сварных соединений полимерных материалов, на которые ориентируется и недавно созданный Союз сварщиков полимерных материалов России. Сейчас руководство страны приняло решение об использовании зарубежных стандартов в нашей стране.

Зарубежная промышленность выпускает листы определённой ширины и длины. Для листов из термопластичных фторполимеров раскрой может быть оптимизирован с исполь-зованием отрезаемых участков, что практически неосуществимо для листов из ф-4.

По нашему опыту герметичность практически любого сварного шва может быть про-верена неразрушающим методом контроля по проницаемости через него тестового газа, каковым может быть, например, гелий. Нужно разработать специальные приспособления.

Листы из термопластичных фторполимеров выпускаются также «кашированными» - с припрессованным слоем специальной ткани, образующей слой, позволяющий осуществ-лять приклейку всего листа к металлическому корпусу аппарата. Адгезионная прочность клеевого соединения составляет не менее 1,5 МПа. Участки футеровки наклеиваются на металлические стенки, а затем свариваются между собой. Это исключает те недостатки, которые присущи свободно вставленным вкладышам, в частности, передачу нагрузки на отбортованные участки футеровки от температурных напряжений, возникающих при на-греве футеровки, что исключает необходимость в изгибостойкости футеровки. Это также исключает отделение футеровки от корпуса при наличии вакуума в аппарате. Приклеива-ние футеровки к корпусу позволяет использовать более тонкие листы, иногда в два раза меньшие, что существенно уменьшает затраты на приобретение листов. А если возможно использование более лёгких листов, как например, из PVDF, то это ещё один плюс при использовании термопластичных фторполимеров.

Футеровку термопластичными фторполимерами мешалок, опор, подвесок и т.п. можно осуществить с использованием серийно выпускаемых труб. Трубы можно разрезать на куски, обрабатывать их механическим путём до требуемой конфигурации и сваривать между собой.

Края футеровки из термопластичных фторполимеров не работают в качестве прокладки. В этом случае необходимо применение типовой плоской прокладки из ф-4 или из эспандированного ф-4Д по классической схеме с зажатием её между фланцами. Мы можем изготовить прокладки из ф-4 любых размеров и любой конфигурации. И в нужном количестве.

При механических повреждениях футеровки из термопластичных фторполимеров, на-пример, «классическим» способом, когда «слесарь уронил металлический лом в аппарат», легко осуществить качественный ремонт футеровки простым наплавлением материала на повреждённый участок или вырезанием повреждённого участка и ввариванием на его место нового участка.

Стоимость листов самого дорого из термопластичных фторполимеров, каким является PFA, находится на уровне 105 евро за кг с НДС. Те преимущества, которые даёт использо-вание свариваемых прутками листов, стоят того превышения его стоимости над стоимо-стью футеровки из ф-4.

Таким образом, взвесив все технические и экономические достоинства и недостатки использования ф-4 и какого-либо из термопластичных фторполимеров, на основании из-ложенного можно сделать правильный выбор материала для футеровки именно Вашего конкретного аппарата. А мы можем оказать квалифицированную консультацию по выбору материала футеровки, провести, при необходимости, совместную корректировку конст-рукции аппарата для выполнения футеровки выбранным материалом и выполнить футе-рование аппарата. Смело обращайтесь к нам с вашими проблемами.


С уважением,
Конструкторско-технологический отдел ООО «ИнжХимСервис»
www.e-h-s.ru

Предварительный заказ