Композиты для обеспечения химической стойкости и в изделиях
реклама
Композиты для обеспечения химической стойкости и в изделиях для инфраструктуры Краткое содержание Композиты продолжают демонстрировать прекрасные свойства в изделиях и системах, где требуется стойкость к коррозии, а также на объектах инфраструктуры. В настоящей статье описано несколько случаев, когда композитные структуры обладают большей долговечностью и требуют меньших расходов на обслуживание по сравнению с традиционными продуктами, которые они заменили. Обсуждаются причины продолжающегося роста использования стеклоармированных полимерных композитов в инфраструктуре и химически стойких изделиях. Введение Композиты на основе ненасыщенных полиэфирных и винилэфирных смол с успехом используются для минимизации эффекта коррозии и химического воздействия. Помимо обеспечения химической стойкости, такие композиты могут выдерживать высокие конструкционные нагрузки, благодаря чему они идеально подходят для инфраструктуры. Такие композиты хорошо работают в условиях, требующих стойкости к коррозии во влажной почве, в присутствии кислот, окислителей, солей металлов, восстановительных газов и сернистых газов. Высококачественные композитные изделия инфраструктуры, такие как скрубберы, подземные резервуары для бензина и лайнеры канализации, успешно эксплуатируются по 40 и более лет. Коррозионно-стойкие смолы включают в себя бисфенол-А эпоксивинилэфирные, эластомерные бисфенол-А эпоксивинилэфирные, эпоксиноволачные винилэфирные и хлорэндиковые полиэфирные. Некоторые из этих смол были разработаны в 1960-х и претерпевали эволюционные изменения в области химии базовых смол и рецептур для улучшения технологических характеристик и свойств конечных продуктов. С момента основания независимого совместного предприятия в 1994 г. компания АОС расширяет и улучшает эти передовые технологии коррозионно-стойких смол. В результате ассортимент продукции АОС включает больше возможностей для обеспечения стойкости в более жестких условиях окружающей среды, чем исходный ассортимент продукции двух компаний, основавших АОС. В настоящей статье обсуждаются несколько случаев успешного применения стеклоармированных композитов на основе коррозионно-стойких смол. Обсуждение сконцентрировано на трех областях применения — коррозионно-стойкое оборудование, подземные резервуары и мостовые конструкции. На примерах из практики показано, как композиты обеспечивают более длительный срок службы по сравнению с альтернативными материалами, такими как металлы, дерево и бетон. Химически стойкие изделия В связи с запросами отрасли появляется большое количество областей применения, требующих использования химически стойких смол. Выбирая из диапазона смол различной химии, технолог может получить максимально экономичное решение. Помимо стойкости к влажности и коррозии смола с оптимальным соотношением цена-качество может решить вопросы работы при повышенной температуре, циклических изменениях температуры, обеспечит конструкционные свойства, соблюдение требований по усталостному напряжению, огнестойкости, низкому дымовыделению и др. Секторы рынка, обслуживаемые химически стойкими композитами, — это очистка воды и стоков, целлюлозно-бумажная, пищевая, химическая промышленность, извлечение минералов и горнодобывающая промышленность, производство микропроцессоров, фармацевтика и энергетика и т. д. Среди областей применения — трубы, фитинги, патрубки, резервуары, скрубберы, литники, отводы, лотки, колпаки, решетки, лестницы, мостки, корпуса, здания и панели. Водоочистка Одним из недавних примеров использования химически стойкого композита является сложная система очистки на водоочистных сооружениях в г. Болдуин-Парк, Калифорния, США (рис. 1). Присутствие 1,1-дихлорэтана, 1,2-дихлорэтана, бензола, толуола и других растворителей в водоемах региона связывают с выбросами отходов аэрокосмических компаний до введения более строгих экологических стандартов. Финансирование очистки обеспечивалось Агентством по защите окружающей среды «Суперфанд», которое занимается восстановлением районов, поврежденных опасными отходами. Водохозяйственное окружное управление долины Сан-Габриэль (San Gabriel Valley Water District, SGVWD) выбрало компанию U.S. Filter/Westates Carbon из Санта-Фе-Спрингз, Калифорния, в качестве поставщика оборудования для 1 этапа системы очистки воды, загрязненной растворителями. U.S. Filter/Westates Carbon, в свою очередь, обратилась к Air Chem Systems, Хантингтон-Бич, Калифорния, для поставки всего оборудования перед монтажом адсорбционных установок очистки углем. Компания Air Chem Systems изготовила систему очистки из четырех композитных колонн, композитных вентиляторов со звукоизолирующим кожухом, нагревателей и соединительных заслонок воздуховодов и выводных труб. Каждая колонна высотой ок. 9,1 м и 1 м в диаметре. Для изготовления колонн и других компонентов использовалась смола Vipel® K022-C, огнестойкая бисфенол-А эпоксивинилэфирная от компании АОС. Благодаря отличной стойкости смолы к растворителям, она также использовалась для воздуховодов, выводных труб и лопастей вентиляторов в системе водоочистки. Помимо обеспечения стойкости к коррозии, смола отвечает требованиям Класса 1 ASTM E 84 по огнестойкости и дымовыделению. Такая классификация достигается при использовании 1,5% синергиста триоксида сурьмы. Композитные колонны и дополнительное оборудование имеют более длительный проектный срок службы по сравнению с алюминием, который SGVWD указывало до этого в спецификациях на такие изделия. Поскольку композит также обладает значительно более низкой теплопроводностью по сравнению с алюминием, при использовании композита легче контролировать процесс. Процесс очистки начинается, когда 28 390 л воды в минуту извлекается из шести скважин. Вода, поступающая в главный коллектор, разбивается на четыре потока, по одному на каждый из четырех скрубберов. По мере впрыска исходной воды в колонны высокоскоростной вентилятор большой мощности прогоняет свежий очищенный воздух через колонны, чтобы отделить растворители от исходной воды. Загрязненные пары адсорбируются на установках с активированным углем, а остатки загрязнений в отходящей воде удаляются в процессе с участием пероксида водорода и УФ-света. В конце системы выходит питьевая вода без регистрируемых количеств загрязнений. Пищевая промышленность Завод Abbot Laboratories' Ross Products Division в Каса-Гранде, Аризона, США, использует уникальный композитный промывной бак в процессе производства одного из продуктов питания. В спецификации указано, что вся емкость должна быть изготовлена из коррозионностойких материалов. Вероятность загрязнения ржавчиной исключается, как могло бы произойти в случае использования бака из мягкой стали с покрытием. По сравнению с нержавеющей сталью бак из композиционных материалов стоит меньше, при этом отвечая требованиям FDA 1CFR177.2420. При объеме 1,3 млн литров эта емкость считается самым большим баком из композиционных материалов, когда-либо изготовленным для контакта с пищевыми продуктами в соответствии с требованиями FDA. Этот бак также отвечает прочностным требованиям для строений в сейсмической зоне 2А, соответствует стандартам Американского сообщества инженеров-механиков ASME RTP-1 и Американской ассоциации по строительству водопроводов AWWA D120-02 касательно использования композитов в контакте с питьевой водой и пищевыми продуктами, подвергшимися технологической обработке, и обеспечивает постоянную стойкость к коррозии при трех циклах ежедневной промывки. При эксплуатации через резервуар проходит более 3,8 млн литров питьевой воды каждый день. Другим существенным проектным требованием для резервуара была возможность его изготовления в виде секций, которые можно сплющить при перевозке для экономии места (рис. 2). Компания Plasticos Industriales de Tampico, S.A. (PITSA), Тампико, Мексика, изготовила бак с использованием изофталевой полиэфирной смолы Vipel® F737, соответствующей всем требуемым нормам и стандартам, особенно в отношении контакта с пищей FDA. Высокое значение упругого удлинения смолы Vipel® F737 было особенно существенно для процедуры сжатия, которая снизила стоимость перевозки на расстояние более 1 500 миль между PITSA и Abbott Laboratory's. Специалист по проектированию изделий из композитных материалов Эл Ньюберри из FEMech Engineering использовал программное обеспечение Mathcad для проектирования этого стеклоармированного резервуара. Конструкция верха и низа бака была разделена на три части, изготавливаемых открытым формованием. Цилиндр был разделен на шесть секционных «колец», изготавливаемых филаментной намоткой. Сформованные секции подвергались пост-отверждению сухим нагревом при 93 0С в течение двух часов. Затем каждое кольцо было тщательно сжато до узкого профиля для облегчения перевозки. На месте установки кольца разжали обратно. Кольца и секции верха и низа были собраны и склеены ламинированием стекловолокно/смола (рис. 3). Антикоррозионный лайнер на внутренней поверхности был выполнен из вуали из стекла типа С и винилэфирной смолы с одобрением FDA. Диаметр бака 10,03 м, высота 16,85 м. Толщина стенок варьируется от 53,6 мм у перехода стенок в дно до 9,9 мм наверху. Толщина у готового стыка у дна составляет 108 мм, включая ламинат для крепления к стенкам. После полной сборки емкость прогревали паром при температуре от 71 до 82 0С в течение 16 часов для обеспечения полного отверждения и экстракции мономера. Были проведены гидроиспытания композитной структуры для того, чтобы удостовериться в ее целостности, образцы хранившейся воды были протестированы на наличие нежелательных загрязнений. После прохождения обоих испытаний емкость была введена в эксплуатацию. Подземные резервуары: история вопроса Потребность в композитных подземных резервуарах возникла после того, как стальные подземные резервуары эксплуатировались более 40 лет. Утечки из-за почвенной коррозии после многих лет эксплуатации стали неприемлемы в связи с экономическим эффектом от потерь топлива и экологическим воздействием — загрязнением запасов питьевой воды. В начале 1960-х в Северной Америке начали устанавливать композитные резервуары из изофталевой полиэфирной смолы. Поначалу рост был медленным, поскольку пользователи неохотно принимали резервуары с более высокой начальной стоимостью. Но как только были продемонстрированы превосходящие свойства композитов, специалисты поняли, что затраты полного срока эксплуатации композитного резервуара значительно выше, и они быстро завоевали популярность. Экологические требования касательно безопасной службы резервуара без утечек усилили этот рост. Сегодня в Северной Америке более 95% новых устанавливаемых резервуаров — полностью композитные резервуары или стальные резервуары с наружным композитным покрытием. Подземные резервуары: стандарты Большинство подземных резервуаров имеют сертификат Underwriters Laboratories (UL®). Изготовители резервуаров подают заявку на проведение серии испытаний на стойкость к действию топлива и физических свойств инспекторами UL, которые выдают сертификат UL. Стандарт UL, используемый для подземных резервуаров для топлива, — UL 1316. Эти испытания предназначены для того, чтобы покупатели резервуаров были уверены, что получат безопасный, качественно сделанный резервуар, который прослужит без проблем много лет. Соответствие стандартам качества и функциональности также обеспечивает инженерам определенную уверенность, что они дают спецификацию на продукт, который будет работать так, как ожидается. Когда специалисты узнают о продуктах, не соответствующих стандарту, их отношение к композитам ухудшается, и это отрицательно влияет на рост отрасли. Преимущество стандартов подчеркивается в характеристиках UL-1, самого первого композитного подземного резервуара для топлива, получившего сертификат UL. Резервуар был изготовлен из изополиэфирной смолы АОС и затем зарыт под автозаправочной станцией в Шаумберге, Иллинойс, США, в 1964 г. Резервуар откопали в 1990 г. для размещения сооружений новой автомагистрали, которая пересекала территорию автозаправки (рис. 4). После осмотра и незначительного ремонта поверхности, специалисты определили, что резервуар был в достаточно хорошем состоянии, чтобы вернуться в эксплуатацию. Бак снова закопали на другой автозаправочной станции, где он продолжает противостоять внутренней и внешней коррозии (рис. 5). Стандарт для подземных резервуаров ЕС был разработан в 1990-х и окончательно одобрен в 1997 г. Эти стандарты EN 976-1, EN 976-2, EN 977 и EN 978 были написаны под руководством Европейского Комитета по Стандартизации. Эти стандарты используются только в Европе и не имеют такой длительной истории, как стандарт UL. Эти стандарты EN, как и UL, разработаны для обеспечения изготовления безопасных и надежных подземных резервуаров. Подземные резервуары: текущий статус в странах Азии и Тихоокеанского региона Подземные резервуары с успехом используются в некоторых странах Азии и Тихоокеанского региона. Уже более 10 лет они используются в Новой Зеландии, Австралии, Японии и Сингапуре (рис. 6). Растет число подземных резервуаров в Индии, Малайзии и Корее, быстрый рост потребительского спроса на автомобили в Китае вызывает параллельный рост спроса на автозаправочные станции с подземными резервуарами для топлива. В течение следующих десяти лет ежегодные темпы роста композитных подземных резервуаров для топлива в Азиатско-Тихоокеанском регионе превысят 10%. Инфраструктура В спецификациях на гражданскую и военно-морскую прибрежную инфраструктуру композиты указаны благодаря своим высоким механическим свойствам и превосходной стойкости к коррозии, что устраняет или серьезно снижает расходы на ремонт и замену. Среди композитных конструкций и продуктов для инфраструктуры — настил мостов, пролеты мостов, ремонт мостов, усиливающая арматура для бетона, слой износа для мостов и автомагистралей, входные и выходные трубы для электростанций, ремонт канализации, опоры ЛЭП и башни линий связи, лопасти ветряных турбин, градирни, волноломы, пирсы и сейсмоустойчивые системы для колонн, балок и стен. Ключевыми преимуществами композитных мостов по сравнению с традиционными мостами из стали и бетона являются более быстрый и менее затратный монтаж, возможность увеличения эксплуатационного ресурса, снижение расходов на ремонт и долговременная износостойкость. Однако в связи с тем, что стоимость монтажа композитного моста обычно в два раза выше, чем для моста из традиционных материалов, первичный успех пришел к композитам на «нишевом» рынке, где преимущества композитов признаются быстрее. Одним из таких нишевых применений являются малопролетные мосты, особенно в сельской местности, где традиционная структура обычно требует объездов, значительно увеличивающих расстояние и время. Композитный мост может быть построен или собран на заводе и затем установлен на месте в течение нескольких часов. Малопролетный мост Одним из первых примеров малопролетного композитного моста был композитный мост, установленный осенью 1996 г. Эта конструкция до сих пор обслуживает население округа Рассел, Канзас, США. Мост был испытан на грузоподъемность сразу после монтажа (рис. 7), Департамент транспорта штата Канзас следит за его состоянием. По результатам испытаний на грузоподъемность в течение года мост соответствует стандартам AASHTO и выдерживает нагрузку в 22 тонны или HS20. Мост округа Рассел имеет 7,1 м в длину и 8,2 м в ширину. В конструкции данного моста использованы сэндвич-панели с волнистым, синусоидальным в поперечном разрезе сердечником между двумя плоскими лицевыми панелями. Идея такая же, как в гофрокартоне, где рифление обеспечивает высокую жесткость при меньшем количестве материала. Компания KSCI изготовила компоненты этого композитного моста ручной выкладкой пропитанных смолой стекломатериалов в открытой форме. В качестве армирующих материалов использовался рубленый стекломат для синусоидального сердечника и комбинация рубленого стекломата и двунаправленных тканей для плоских панелей. Рабочая поверхность моста изготовлена из полимербетонной смеси термореактивной смолы и наполнителя. По сравнению с традиционными асфальтовыми или бетонными поверхностями на основе портланд-цемента, полимербетон обеспечивает повышенное удлинение, улучшенные ударную вязкость и стойкость к истиранию, а также увеличенный срок службы. Для демонстрационного проекта в округе Рассел компания KSCI использовала три различных смолы АОС: одну для сердечников и лицевых панелей, другую для склеивания сердечников и лицевых панелей и третью для полимербетона. После установки моста в округе Рассел несколько композитных автомобильных и пешеходных мостов и мостовых настилов были установлены в Северной Америке и Европе. Заключение Хорошо зарекомендовавшее себя применение композитов в коррозионно-стойких изделиях и в инфраструктуре обеспечат основание для серьезного роста сходных областей применения в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Благодаря устранению экономических потерь в связи с утечкой углеводородов и улучшению защиты окружающей среды, в будущем ожидается значительный рост использования композитных подземных резервуаров для топлива. Этот рост будет сопровождать повышение использования автомобилей по всему региону. Использование композитов в конструкции мостов будет расти, поскольку эти продукты обеспечивают увеличение срока эксплуатации. Ссылки Underwriters Laboratories, Glass-Fiber-Reinforced plastic Underground Storage Tanks for Petroleum Products, Alcohols, and Alcohol-Gasoline Mixtures, UL 1316 Second Edition, Underwriters Laboratories, Northbrook, Illinois, USA. 1994. European Standards on Underground GRP Fuel Storage Tanks: EN 976-1, EN 976-2, EN 977 and EN 978, European Committee for Standardization (CEN). 1997. European Standards on Underground GRP Fuel Double Wall Tanks (Draft): prEN 976-4. European Committee for Standardization, 1997. Таблица 1 Свойства отливок композитных смол Бис-А винил- Новолачная эфирная винилэфирная Бис-А винил- Бисфенол-А эфирная фумарат высокой степени сшивки Жесткая изофталевая полиэфирная Эластичная изофталевая полиэфирная Изофталевая полиэфирная высокой степени сшивки Прочность на 88 разрыв, МПа 86 92 70 83 86 70 Модуль проч- 3 034 ти, МПа 3 655 3 172 3 034 3 793 3 379 3 517 Удлинение, % 6,2 4 4,3 2,6 2,8 4 2,3 Температура термической деформации, 0С 136 124 124 107 92 139 40 42 40 43 39 51 120 Твердость по 39 Барколу Рисунок 1. Композитные колонны и вспомогательное оборудование для скрубберов на водоочистной станции в Болдуин-Парк, Калифорния, США. Рисунок 2. Композитные секции резервуара сплющены для сокращения места при перевозке Рисунок 3. Установка композитного промывного бака на производстве продуктов питания Рисунок 4. UL-1, первый композитный резервуар, получивший сертификат UL, достают из земли после более 25 лет эксплуатации. Рисунок 5. UL-1 закапывают для повторного использования, он эксплуатируется до сих пор. Рисунок 6. 1994 г., композитные подземные резервуары устанавливаются на автозаправочных станциях Mobil в Сингапуре. Рисунок 7. Малопролетный композитный мост проходит испытание на грузоподъемность вскоре после монтажа в 1994 г. Мост до сих пор в эксплуатации. Август 2005 г.
