Сопротивление защитных покрытий воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам
Защитные покрытия, используемые для предотвращения коррозии внутренних стенок стальных резервуаров, подвергаются в процессе их эксплуатации различным внешним воздействиям. В первую очередь они контактируют с жидкими и газообразными коррозионно-агрессивными средами, подвержены действию повышенных и пониженных температур, испытывают различного рода механические нагрузки во время заполнения и опорожнения резервуаров, подвергаются вибрации и деформирующим нагрузкам при изменении геометрических размеров резервуаров, появлении вспучин и т. д.
Вместе с тем, жидкие и газообразные среды воздействуют на защитные покрытия физико-химически, что вызывает изменение состава структуры самой пленки, снижает силы адгезии пленки к металлу, а механические нагрузки и деформации подложки приводят к изменению физико-механических свойств защитной пленки, вплоть до появления в ней трещин и проникновения через них агрессивной среды к поверхности металла. Отсюда ясно, что способность системы покрытие - металл выполнять свои защитные функции зависит в первую очередь от стойкости и прочности адгезии покрытия к указанным воздействиям.
Жидкие и газообразные среды воздействуют на покрытие также путем адсорбции на их поверхности, а при проникновении в объем пленки - вызывают набухание или даже растворение отдельных компонентов покрытия. В результате химического воздействия коррозионно-агрессивных сред с покрытием разрушаются и перестраиваются структурно-химические связи между молекулами полимера и другими добавками, входящими в состав связующего. Установлено, что более сильное влияние на физико-механические свойства покрытий оказывает не адсорбционное, а объемное воздействие среды.
Коррозионно-химическая стойкость покрытия и способность его защищать металл от коррозионного воздействия среды определяется не только составом и структурой пленкообразователя, но и остальными компонентами, входящими в состав покрытия. Если пигменты в покрытии способны химически взаимодействовать с коррозионно-агрессивными ионами среды, то снижается прочность и эластичность самого покрытия, изменяется его цвет, увеличивается объем полимерной пленки. Пластификаторы часто способствуют снижению стойкости всего покрытия в целом из-за низкого химического сопротивления этих добавок воздействию среды, удалению их из пленок и повышению благодаря этому проницаемости покрытий.
Колебания температуры также влияют на защитную стойкость покрытий в агрессивных средах. Само по себе повышение температуры до предельных значений, после которого происходит разрушение полимерной пленки, резко снижает стойкость покрытий. На практике такие температуры в резервуарах не встречаются. Но основное отрицательное действие на коррозию и стойкость защитных покрытий оказывает разность температур между хранимой в резервуаре средой и его стенками. Благодаря внешним температурным воздействиям резервуар резко изменяет свои геометрические размеры и величину механических нагрузок на покрытия, что сказывается, в свою очередь, на эксплуатационной надежности защитных покрытий.
Механические воздействия на покрытия, имеющиеся на внутренних стенках резервуара, активизируют влияние коррозионной среды, поскольку под воздействием механических напряжений возрастает поглощение жидкой среды материалом покрытия. В результате этого происходит микро- и макрорастрескивание напряженных покрытий, со всеми вытекающими из этого последствиями для него и подложки.
Разрушение полимерных пленок в системе металл - покрытие при механических воздействиях протекает не мгновенно, а во времени. Поэтому способность пленки полимера к быстрому перераспределению возникающих в ней локальных напряжений (процесс релаксации) в значительной степени определяет ее сопротивление механическим воздействиям. Наиболее успешно противостоят деформирующим нагрузкам защитные пленки, находящиеся благодаря пластификаторам в высокоэластичном состоянии.
Внутренние напряжения распределяются в объеме полимерной пленки неравномерно. Наибольшие напряжения создаются в слое, прилегающем к поверхности металла. По мере удаления от нее они убывают. Поэтому для снижения внутренних напряжений рекомендуется в качестве грунтовочных материалов использовать эластичные полимеры, способные к высокой релаксации, хотя релаксирующий эффект возрастает с увеличением толщины грунтовочного слоя. С другой стороны, с увеличением общей толщины покрытия прочность его снижается. Значит, необходимо подбирать оптимальные толщины покрытий, учитывающих требования коррозионной защиты и уровень деформирующих нагрузок.
Различают несколько видов собственных внутренних напряжений в полимерных пленках. Клинообразные трещины в поперечном сечении наблюдаются даже при хорошей адгезии покрытий и деформативности. Этот дефект характеризует старение поверхности нанесенного покрытия. Раскрытие, расположенных параллельно друг к другу сторон трещины. Причина заключается в плохой адгезии покрытия с загрунтованной поверхностью. На поверхности покрытия происходит образование морщин, так называемая «крокодиловая кожа». Причина состоит в старении поверхности пластичного покрытия и образовании сетки неглубоких трещин на поверхности.
Чашеобразное отслоение покрытия. Причина вызвана островками, образующимися из-за появления сетки трещин и старения покрытия.
Вздутие покрытия. Причина - проникновение в покрытие внешней среды, разбухание покрытия, плохое сцепление с загрунтованной поверхностью.
Отрыв покрытия с подложки. Причина - недостаточно прочная адгезия покрытия с металлом, малая прочность самого слоя, что типично для протекторных грунтовок и покрытий.
Обширное отслоение покрытий, полученных на основе ненасыщенных полиэфиров. Причина - возникновение больших напряжений внутри слоя покрытия при быстрой скорости отвердения.
АО «НИИ Лакокрасочных покрытий» (г. Хотьково) и Московский институт «Проектхимзащита» разработали нормы допускаемой деформации на растяжение лакокрасочных покрытий для противокоррозионной защиты внутренней и внешней поверхности резервуаров, эксплуатируемых в различных агрессивных средах.
Под нормой деформации следует понимать наибольшую величину относительной деформации покрытия, которую оно может испытать в процессе эксплуатации в какой-либо среде, сохраняя при этом свои защитные свойства в течение заданного времени.
Величину относительной деформации, которая будет иметь место при эксплуатации резервуара, определяют расчетным путем, опытно-расчетным путем (по данным изменения формы резервуара такой же вместимости и конструкции), либо с помощью тензорезисторов, например, фольговых.
Проверочные расчеты, выполненные институтом «ВНИИмонтажспецстрой» для стальных цилиндрических вертикальных резервуаров типа РВС, показали, что деформативность антикоррозионного покрытия с учетом рулонированного изготовления и монтажа металлоконструкций в период эксплуатации резервуаров не превышает 0,6%.
Выбор системы покрытия с учетом его деформативности производится следующим образом. В зависимости от характера и вида среды или условий эксплуатации выбирается система покрытий в зависимости от рассчитанной или измеренной деформации, которая имеет место при эксплуатации данного типа резервуара. Зная параметры деформативности покрытий, стойких в агрессивных средах, образующихся при сборе и хранении нефти и нефтепродуктов, можно отобрать те покрытия, которые выдержат колебания стенок резервуаров и следовательно, не будут иметь трещин. А это означает повышенную долговечность данной системы покрытий в условиях эксплуатации резервуаров.
