Диссертация (Технико-экономические аспекты эксплутационной надежности, технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий по производству минеральных удобрений), страница 8

Для химическогооборудования основные показатели, характеризующие его эффективность, перечень нормируемых показателей надёжности регламентирован РД 26.260.005-91. «Методические указания.Оборудование химическое. Номенклатура показателей и методы оценки надежности» [111]. Внаучно-практических расчётах надёжности оборудования предприятий отрасли наибольшеераспространение получили стандартные комплексные показатели надёжности: коэффициентготовности (Кг) и коэффициент технического использования (Кти). Подробный обзор показателей с определениями, областями применения и способами расчёта широко тиражированы вучебной литературе, указанных и других стандартах.Особенности интенсивного изнашивания оборудования отраслиИсследование вопросов надёжности, ТОиР оборудования отрасли неразрывно связано сизучением интенсивного изнашивания узлов и деталей оборудования, эксплуатируемого вусловиях сложного комплекса разрушающего коррозионно-механического воздействия рабочихсред, характерных для большинства основных производств отрасли.Для рассмотрения вопросов износостойкости рабочих поверхностей оборудования в определённых условиях эксплуатации, помимо особенностей технологии конкретного производства,необходимо иметь представление о соответствующих процессах с позиции трибологии, материаловедения, гидродинамики и некоторых других общеинженерных дисциплин.Трибология занимается изучением изнашивания поверхностных слоёв материалов.

Классические исследования в этой области знания посвящены изучению вопросов кинетики и механизмов различных видов износа, расчётам и прогнозированию долговечности, подбору материалов и эффективных методов восстановления, а также разработке методик экспериментальныхисследований и практического применения полученных результатов [30; 105; 159 и пр.].Значительная часть триботехнических задач в производстве удобрений лежит в сферетрибохимии, изучающей взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активнойсредой, исследуя проблемы коррозии при трении.

Под коррозионно-механическим изнашива-29нием в этой области знания понимают изнашивание материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.Триботехника исследует вопросы коррозии только как дополнительный фактор при других видах изнашивания. Отдельно вопросы коррозии изучаются химическими дисциплинами(технология электрохимических процессов, химическое сопротивление материалов).

Наличиекоррозионной составляющей при эрозии (механическом воздействии потока), как правило, интенсифицирует процесс изнашивания. Наукой доказано, что в смешанном процессе изнашивания один из факторов может подавлять другой или усиливать его действие. Более того, в некоторых случаях проявление одного из разрушающих факторов возможно лишь при их совместном действии.Поэтому при изучении вопросов практической износостойкости необходимо знать перечень и характер влияния на процесс разрушения основных эксплуатационных факторов. В случае коррозионного воздействия к ним относят: конструктивное оформление оборудования, механические и гидродинамические нагрузки, природу материалов, контактирующих в конструкции, состав, концентрацию, температуру, давление и скорость среды и др. Главными факторами, влияющими на абразивное изнашивание, являются: твёрдость, прочность, размер, концентрация и геометрия твёрдых частиц, угол их удара о поверхность (угол атаки), скорость потокаи активность носителя.Рассмотрение кинетики и механизма абразивного изнашивания в коррозионных средахневозможно без понимания молекулярных механизмов образования и защитного действия оксидных плёнок.

Многообразием физико-механических свойств обладают не только защищаемые материалы, но и жидкости, являющиеся носителями твёрдых частиц при гидроабразивномизнашивании. Форма, твёрдость, прочность и другие характеристики абразива, а также сочетание этих параметров с механическими характеристиками материала и его оксидной плёнки оказывают существенное влияние на природу изнашивания [12; 139 и др.].Проблеме абразивного изнашивания деталей машин посвящены сотни публикаций. Общие закономерности абразивного и гидроабразивного изнашивания раскрыты в работах М.М.Хрущёва, И.В. Крагельского, И.Н., М.М. Тененбаума, Богачёва, В.Н. Кащеева, С.П. Козырева,М.Е. Гарбера и др.Вопросами кавитационно-эрозионного и гидроабразивного изнашивания материалов иразличных видов оборудования, узлов и деталей занимались: Богачев И.Н., Гривнин Ю.А., Карелин В.Л., Козырев С.П., Некоз А.И., Пенкин Н.С., Погодаев Л.И., Прейс Г.

А., СтечишинМ.С., Тимербулатов М.Г,Фомин В.В. и др.Наиболее сложными для исследований и эффективного применения на практике известных способов защиты материалов являются случаи совместного влияния коррозии, абразива и30кавитации. Преобладание физико-механического или химического фактора изменяет характерпротекания разрушающего процесса, а, следовательно, и методы защиты от него материаловрабочих поверхностей деталей оборудования [12; 62; 73; 74; 76].Исследование влияния структуры и состава материалов, технологических методов их обработки на износостойкость, целенаправленный синтез новых износостойких материалов является предметом триботехнического материаловедения.Общие задачи подбора материалов в широком диапазоне условий изнашивания решают вобъёме дисциплины “материаловедение” и её подразделов (металловедение, поверхностная,термическая и химико-термическая обработка металлов и пр.).

Проблема изучения свойств поверхности и создание поверхностных слоёв настолько важна, что в настоящее время сформировано самостоятельное направление (“инженерия поверхности”), включающее традиционные иинновационные процессы модификации поверхности, создающие на ней композиционный материал со своими свойствами, отличающимися от свойств основного материала.Большинство научно-практических задач выбора материалов и покрытий в промышленности решаются в формате исследований по металловедению, термической обработке металлови/или трению и износу в машинах. Наиболее общие положения по теории изнашивания материалов в коррозионно-активных средах разработаны в трудах Гребенщикова И.В., Лазарева Г.Е.,Васильева И.В., Саакян Л.С., Гутмана Э.М., Червякова И.Б., Крумана Б.Б., Крупицына В.А.,Томашова Н.Д.

и др.Для решения прикладных задач в этой области необходимо знать основные методы регулирования объёмных и поверхностных характеристик сталей и сплавов. К наиболее распространённым в отрасли относят: легирование, термическую и химико-термическую обработку,пластическое деформирование, наплавку и напыление износостойких материалов, некоторыедругие. Значительное влияние на износостойкость сталей и сплавов оказывает величина зерна[39; 59; 152 и др.].На свойства заготовки и готовой детали оказывает и способ их получения (литьё, обработка давлением, резка сортового и профильного проката и пр.).

Выбор способа изготовлениядетали сложная технико-экономическая задача, при решении которой должны учитыватьсямарка материала, размеры и конфигурация детали, требуемая точность размеров и качество поверхностей, объём выпуска, тип производства и прочие факторы [139; 157].Суждение об абразивном изнашивании как о простом царапании, выборе коррозионностойких материалов по марочникам стали, износостойкости по твёрдости и прочие стереотипымогут привести к неэффективным решениям при выборе материала при конструировании оборудования, его эксплуатации и ремонте.

В условиях большой химии такие заблуждения могутобходиться очень дорого и быть опасными для человека и окружающей среды.31Специфика отрасли заключается не только в наличии большого количества сильноагрессивных сред и твёрдых, обусловленных использованием в качестве фосфорсодержащего сырьятвёрдых минералов в размельчённом виде и гранулированного продукта, получаемого из суспензий. Сложность эксплуатации и ремонта заключается и в том, что значительная часть основного оборудования эксплуатируется в уникальных условиях и выпущено в единичных экземплярах или мелкосерийными партиями, что существенно усложняет использование статистических инструментов анализа механизмов изнашивания материалов и анализа надёжности оборудования ХТС классическими (статистическими) методами.Другой важной особенностью отрасли, оказывающей существенное влияние на работоспособность оборудования, является существенное колебание технологических параметров,обусловленное неизбежными колебаниями состава сырья и реагентов, в том числе содержания вних агрессивных компонентов, а также колебаниями регулируемых параметров (температуры,давления, расхода и пр.).

Так, например, известно, что при эксплуатации оборудования в составе ХТС можно добиться уменьшения скорости его коррозии, не изменяя средних значений технологических параметров, а лишь за счёт уменьшения их дисперсии, т.е. повышения стабильности технологического процесса [17; 53 и др.].Характерными примерами производств, технология которых предполагает практическиповсеместную эксплуатацию оборудования в условиях гидроабразивного изнашивания в агрессивных средах, являются производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК), а такжекомплексных минеральных удобрений [22; 65; 128; 140].

Последние, по содержанию основныхпитательных элементов (азот, фосфор и калий), часто называют NPK-удобрениями или, по способу их получения, сложно-смешанными (сложными) [26; 49].Фотографии перемешивающих устройств и насосов отделения экстракции цеха ЭФК показаны на рисунке 1.8 (10-12 месяцев эксплуатации). Фотографии нового и изношенного рабочего колеса насоса, перекачивающего пульпу в производстве сложных удобрений приведены нарисунке 3.18 (3-4 месяца эксплуатации, в зависимости от перерабатываемого сырья и марки получаемых удобрений см.

п. 3.4).32а) ООО «ПГ «Фосфорит», г. Кингисеппб) ООО «ЕвроХим - БМУ», г. БелореченскРисунок 1.8 – Фотографии изношенных лопастей мешалки и насосаПри анализе условий изнашивания и разработке методов повышения износостойкости рабочих поверхностей и надёжности оборудования в целом, важным этапом исследований является изучение условий эксплуатации оборудования, особенностей его устройства, техническогообслуживания и ремонта (ТОиР).Экстракция фосфора с получением экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) ведётсяобычно в полугидратном режиме (92-95С, концентрация кислоты 30-34% Р2О5) при постоянном перемешивании. Поэтому наибольшему воздействию среды подвержены лопасти мешалок.Жидкая фаза в экстракторе состоит из трёх-четырёх кислот (Н3РО4 ≈ 40%, Н2SO4 ≈ 2,5%, H2SiF6≈ 2% и HF – не более 1% или отсутствие). Твёрдая фаза в процессе экстракции меняется от частиц фосфатного сырья (апатит или фосфорит) до кристаллов полугидрата сульфата кальция(CaSO4 × 0,5H2О) и нерастворённого остатка (SiО2).

Примеси тяжёлых металлов (кадмий, ртуть,мышьяк, свинец и пр.) частично переходят в готовый продукт и/или в фосфогипс.Размеры и габитус кристаллов твёрдой фазы зависят от многих параметров. Оптимальнымдля фильтрации и отмывки считаются монокристаллы шарообразной формы с размерами15÷120 мкм и количеством мелких кристаллов (менее 15 мкм) не более 10-15%. Фотографиикристаллов во взвешенном состоянии (слева, увеличение в 320 раз) и образование ими агрегатов/друз (справа, увеличение в 2000 раз) показано на рисунке 1.9.33Рисунок 1.9 – Фотографии кристаллов фосфогипсаКроме перечисленных выше тяжёлых металлов фосфатное сырьё в зависимости от месторождения может содержать ряд примесей. К основным из их можно отнести карбонаты (доломит и известняк), органический углерод в основном океанического происхождения (водоросли,ракушечник и т.д.), железо, алюминий, натрий и калий.

Такое различие состава твёрдых частицв суспензии предполагает различие абразивности вследствие изменения геометрии и твёрдостиконтактирующей поверхности.В производстве сложных минеральных удобрений (нитроаммофоска, аммофос, сульфоаммофос и др.) наиболее тяжёлые условия гидроабразивного изнашивания оборудования созданына этапе подготовки пульп и гранулирования плавов солей (суспензий).Пульпа нитроаммофоски, подаваемая на гранулирование, представляет собой сложнуюсистему, состоящую из жидкой и твердой фазы. Жидкая фаза представляет собой раствор солей, входящих в состав удобрения (КNO3, NH4Cl, NH4NO3, КCl, NH4H2PO4, (NH4)2HPO4,(NH4)2SO4 и др.). Твердая фаза, количество которой может колебаться от 30 до 50% в зависимости от марки удобрения, состоит из смеси кристаллов этих же солей, а также нерастворимых вводе примесей, содержание которых зависит от состава сырьевых компонентов (ЭФК, плавамиачной селитры, апатит, хлористый калий и пр.).