КОРПУС ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕАКТОРА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для проведения каталитических газофазных реакций при повышенной температуре, например экзотермических процессов в области производства элементарной серы из сероводородсодержащих газов и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и металлургической промышленности.
Известен теплоизолированный высокотемпературный реактор (RU 2346737 С2, B01J 19/02, Опубликовано: 20.02.2009) имеющий кожух, внутри которого находится слой внешней теплоизоляции и внутренней теплоизоляции, образованной высокотемпературным теплоизоляционным материалом, свободно уложенным слоями.
Другой высокотемпературный реактор для восстановления сернистого газа природным газом (RU 2206389, B01J 12/00, Опубликовано: 20.06.2003) содержит корпус, изнутри футерованный огнеупорным материалом, с отверстиями для подвода и отвода технологического газа и цилиндрическую камеру, которая соединена с корпусом, сообщается с ним через отверстие для подвода технологического газа и снабжена фурмами для подачи восстановительного природного газа, размещенными в стенке камеры.
В качестве прототипа выбран реактор описанный в патенте RU 2206389 (В01J 12/00, Опубликовано: 20.06.2003).
Для тепловой защиты стального кожуха известный реактор изнутри снабжен теплоизоляционной футеровкой из огнеупорных кирпичей и огнеупорного бетона. В результате воздействия агрессивной среды происходит коррозионное разрушение опорных стоек и решетчатого настила, на который внутри реактора укладывается сетка и размещается катализатор. Срок службы катализатора составляет 3 года, после чего необходима его замена. Замена самого катализатора не представляет особых сложностей. Но в течение 2-х сроков службы катализатора разрушаются решетчатый настил и опорные балки. А это приводит к изменению газовых потоков внутри реактора и существенному снижению эффективности применения катализатора. Ввиду конструктивных особенностей реактора замена внутренних конструкций представляет собой целый комплекс операций, выполнение которых приводит к многомесячным простоям реактора.
Задачей на решение которой направлена полезная модель является уменьшение продолжительности ремонтного периода.
Техническим результатом от использования полезной модели является повышение коррозионной стойкости внутренних конструкций реактора, улучшение коррозионной защиты внутренней поверхности корпуса, снижение влияния агрессивной среды на поверхность конструкции; увеличение прочности адгезии покрытия с подслоем по сравнению с прочностью сцепления алюминиевого покрытия без подслоя.
Первый вариант полезной модели характеризуется тем, что на внутренние конструкции корпуса высокотемпературного реактора нанесено алюминиевое покрытие толщиной не менее 30 мкм.
При этом покрытие выполнено с пропиткой высокопроникающим составом на силиконовой основе.
Второй вариант полезной модели характеризуется тем, что на внутренние конструкции корпуса высокотемпературного реактора опорные балки и решетчатый настил нанесено алюминиевое покрытие толщиной не менее 30 мкм на интерметаллидном высокоадгезивном подслое толщиной не менее 30 мкм.
При этом покрытие выполнено с пропиткой высокопроникающим составом на силиконовой основе.
На рисунке 1 изображено схематичное протекание электрохимической реакции в пористой структуре алюминиевого покрытия, являющегося анодом по отношению к стальной основе в среде электролита.
Рис.2 фотография образца с алюминиевым покрытием, толщиной 60-100 мкм.
Рис.3 фотография индикаторной бумажки после проведения испытаний.
Рис.4. Фотография микроструктуры двуслойного покрытия:
Рис.5. Фотография микроструктуры алюминиевого покрытия.
Рис.6 Схематичное изображение протекания электрохимической реакции в пористой структуре алюминиевого покрытия, являющегося анодом по отношению к подслою на основе Al-Ni в среде электролита.
Алюминиевое покрытие является анодным по отношению к стальной основе, так как имеет потенциал более отрицательный, чем у стали.
Таблица 1.
Элемент
Mg
Al
Zn
Cr
Fe
Co
Ni
E<sub>0</sub>, В
-2,37
-1,66
-0,76
-0,74
-0,44
-0,28
-0,25
Таблица 1. Электрохимический ряд
Алюминиевое покрытие обладает отличными противокоррозионными характеристиками. Склонность алюминия к пассивации (окислению) не позволяет спрогнозировать поведение покрытия в случае механического повреждения покрытия, сопровождающегося оголению стальной основы.
С целью определения влияния пористости алюминиевого покрытия на скорость коррозии стальной поверхности было проведены ускоренные коррозионные испытания.
Данное испытание обычно используется для определения сквозной пористости покрытий. Для определения характера пористости образцы с покрытием были выдержаны в течение 20 минут в растворе железосинеродистого калия (40 г/л) и хлористого натрия (2 г/л). Железосинеродистый калий дает реакцию на железо, цвет раствора, в результате которой, из желтого становится синим (темно-синий осадок турнбулевой сини).
Индикацией наличия сквозной пористости в данном методе является появление темно-синих пятен на индикаторной бумажке, пропитанной раствором.
Поскольку алюминий имеет более отрицательный электродный потенциал по сравнению с электродным потенциалом железа, как показано в таблице 1, раствор, заполняя поры в покрытии, становится электролитом, как показано схематично на рис.1.
3
Во время протекания электрохимической реакции происходит растворение алюминия с поверхности покрытия в электролите с образованием нерастворимого белого осадка Аl(ОН)↓. В свою очередь стальная поверхность не коррелирует и остается защищенной до полного растворения алюминиевого покрытия.
Во время коррозионных испытаний образующийся гидроксид алюминия заполнял поры покрытия, останавливая электрохимический процесс. На рис.3 представлена фотография индикаторной бумажки, на которой нет следов реакции раствора со стальной основой, но, тем не менее, на рис.2 видно, что на поверхности образца с покрытием образовался белый налет, который подтверждает протекание электрохимической реакции.
Для того чтобы алюминиевое покрытие сохраняло способность к «самозалечиванию», необходимо, чтобы поверхность алюминиевого покрытия была активирована на протяжении всего срока службы, т.е. отсутствовала оксидная пленка. Для решения этой проблемы применяют станции катодной защиты. Однако такой способ является экономически не выгодным.
3
Другим решением является нанесение подслоя из материала, обладающего большим электрохимическим потенциалом, а также способностью изолировать изделия от агрессивной среды собственной коррозионной стойкостью. В последнее время для увеличения номенклатуры деталей, а также для улучшения механических и защитных свойств газотермического алюминиевого покрытия используют подслой из термореагирующего материала типа Al-Ni (отличающегося высокой прочностью сцепления с основой, жаро и термостойкостью, высокой степенью шероховатости). За счет дополнительной энергии, выделяющейся в ходе протекания химической реакции, сопровождающейся образованием интерметаллидов AlNi, образуется более прочное соединение покрытия с подложкой.
Для проведения сравнительных испытаний были приготовлены образцы из стали Ст.3 с алюминиевым покрытием с подслоем на основе сплава Al-Ni (см. рис.4) и с алюминиевым покрытием без подслоя (см. рис.5). Напыление проводили на установке газопламенного напыления МДР 115. Образцы исследовались на лабораторном комплексе методами металлографического анализа, в ходе которых определялась микроструктура и микротвердость покрытий. Проведенные физико-механические испытания показали, что прочность сцепления покрытия с подслоем в два раза превосходит прочность сцепления без подслоя.
С точки зрения антикоррозионной защиты алюминиевое покрытие с подслоем на основе сплава Al-Ni позволяет продлить срок службы емкости (металлической конструкции) (см. рис.6), что объясняется следующим:
1. Сохраняется эффект «самозалечивания» покрытия, поскольку такое покрытие не требует нанесения пропитывающих составов.
2. В случае механического повреждения алюминиевого покрытия подслой на основе сплава Al-Ni с образовавщимися в процессе напыления интерметалидами будет препятствовать дальнейшему снятию алюминивого покрытия за счет повышенной износостойкости и высоких адгезионно-когезионных сил сцепления, защищая тем самым стальную основу конструкции.
Как видно из рисунка 6, такое покрытие обеспечивает лучшую коррозионную защиту стальной основы, полностью изолированной от воздействия окружающей среды.