Аустениты (17-27% Сг, 8-35% Ni, 0-6% Mo) Количество никеля, требуемого для производства полностью аустенитной структуры при комнатной температуре, уменьшается по мере увеличения содержания углерода. Аустениты не могут закаляться при тепловой обработке, но могут подвергаться упрочнению при холодной обработке. При комнатных температурах предел прочности лежит в диапазоне 207-1380 Н/мм2 в зависимости от состава и продолжительности холодной обработки. Аустениты также проявляют хорошую ковкость и ударную вязкость и являются, в основном, легко свариваемыми. Обычно они обладают высокой коррозионной стойкостью за исключением подверженности к коррозионному растрескиванию, вызываемому хлоридами (ферритные сплавы менее уязвимы к коррозионному растрескиванию). В противоположность ферритным маркам сплавов, азот оказывает благоприятное воздействие на стабильность и прочность аустени-тов, и поэтому в некоторых недавно разработанных аустенитных марках нержавеющей стали его концентрация составляет примерно 0,2%о.Аустенитно-ферритные сплавы (18-27% Сг, 4-7% Ni, 2-4% Mo) Эти сплавы имеют повышенный предел прочности по сравнению с аустенитными. Они и были разработаны для этой цели, однако их коррозионная стойкость аналогична коррозионной стойкости как аустенитных, так и ферритных нержавеющих сталей. Аустенитно-ферритные сплавы часто содержат до 0,25% азота и их можно использовать для цилиндрических заготовок (корпусов аппаратов) и трубок теплообменников, а также компонентов насосов и трубопроводов, эксплуатируемых в жестких условиях.
Все типы нержавеющих сплавов характеризуются значительно большей коррозионной стойкостью по отношению к большинству эксплуатационных сред, чем обычная углеродистая сталь. Это свойство нержавеющих сталей обусловливается наличием на их поверхности тонкого защитного слоя, обогащенного окисью хрома. Такая исключительная коррозионная устойчивость является особым признаком всех нержавеющих сталей и определяет возможности их использования без угрозы возникновения эрозионной коррозии при гораздо более высоких скоростях потока, чем это возможно для материалов на основе меди, которые обсуждались в предыдущем разделе. С другой стороны, нержавеющие стали оказываются гораздо более чувствительными к щелевой коррозии и к питтинговому разъеданию в условиях отсутствия движения среды, но различные марки нержавеющих сталей проявляют значительное различие в стойкости к таким локальным формам проявления коррозии.
В самых общих чертах можно сказать, что устойчивость нержавеющей стали к локальным формам коррозии возрастает с увеличением содержания хрома и молибдена в ее составе (но, к сожалению, также возрастает и ее стоимость).
Подробные характеристики промышленных нержавеющих сталей представлены в табл. 13.3. Все они могут использоваться в системах транспортировки воды, но для наиболее соленых вод предпочтительны аустенитные сплавы с содержанием примерно 18Сг и 10N1. Два наиболее распространенных образца таких сплавов (обычно имеющих американскую маркировку) представляют собой аустенитные нержавеющие стали марок 304 и 316 с типичным составом, представленным в табл. 13.3 и немного более детально описанных ниже.
Архив
Финишная обработка поверхности нержавеющей стали Как описывалось выше, коррозионная стойкость нержавеющих сталей обусловлена пассивирующим воздействием обогащенной окисью хрома пленки, которая образуется самопроизвольно на воздухе или еще быстрее в воде. Любое повреждение пассивирующей пленки совершенно очевидно приводит к коррозии. Это может проявляться в виде локальных раковин или более обширных пятен (изменений цвета) - часто похожих на продукты коррозии железа (так называемый «феномен крокуса»). В системах чистой воды общие потери металла из-за этого явления фактически не вызывают серьезных проблем, связанных с повреждениями или выходом из строя элементов систем трубопроводов, но процесс такой коррозии может стать недопустимым источником загрязнений конечного фармацевтического продукта или электронного устройства. Производственные процессы могут вносить свой вклад в аналогичные коррозионные проблемы как за счет нарушения или повреждения пассивирующей пленки, так и за счет других поверхностных воздействий и повреждений. К таким проблемам относятся:
• Глубокие царапины, вдоль которых во время эксплуатации может развиваться коррозия;
• Вкрапленные частицы железа, появляющиеся при использовании стальных проволочных щеток. Эти частицы впоследствии сами будут подвергаться коррозии и инициировать коррозию лежащего ниже слоя нержавеющей стали;
• Накопление и пришлифовка (вкрапление в металл) абразивных включений (обломков, осколков);
• Сварка, которая может оставить окалину от электродов, следы воздействия дуги (кратеры), брызги от сварки, цвета побежалости - все это может стать причиной повреждения защитной пленки и возникновения дефектов в виде трещин;
• Наличие органических загрязнений, таких как жир, масло, следы маркировки краской или мелом, а также липкая лента могут способствовать возникновению питтинговой или щелевой коррозии.
Изложенное выше указывает на то, что процедуры послемонтажной очистки должны являться частью надлежащей производственной практики. И в качестве меры предосторожности покупателю следует включать этот пункт в контракт. Возможные методы очистки обсуждаются ниже.
Непрерывная разработка новых полимерных материалов, продолжавшаяся в последние несколько десятилетий, продемонстрировала, что чрезвычайно широкий круг «пластиков» может использоваться в качестве материалов для трубопроводов. Все эти полимерные материалы состоят из гигантских молекул с каркасом на основе атомов углерода и водорода, но часто содержат и атомы других элементов, которые, будучи встроенными в полимерную цепочку, способны придавать веществам исключительные свойства. Полимеры часто подразделяют на два класса - термопластичные (или термопласты) и термореактивные (или термореактопласты).
Термопластичные полимеры состоят из линейных молекул с сильными внутримолекулярными связями, но слабым межмолекулярным взаимодействием. Это обусловливает относительно низкую прочность материалов на их основе, но их низкая стоимость и способность к пластическим деформациям предоставляет очень широкие возможности для легкой переработки путем экструзии в формовые изделия, например трубы.Термореактивные полимеры обладают более разветвленной в пространстве трехмерной структурой, которая обусловлена либо более разветвленной структурой индивидуальных молекул, либо введением поперечных сшивок в линейную структуру последних. Оба пути модификации полимеров дают возможность увеличить их прочность, которая еще более возрастает при умеренной термообработке. Следовательно, термореактивные полимеры являются более подходящими для изготовления опорно-несущих элементов, чем термопластичные, однако обычно их гораздо труднее обрабатывать.
Большинство полимеров, используемых для изготовления труб, являются термопластами, но некоторые соединительные детали и клапаны могут изготавливаться из термореактопластов.
Одной из отличительных черт полимерных материалов является присущая им высокая устойчивость к коррозии (или «деструкции») - этим термином обычно пользуются при обсуждении устойчивости полимеров ко многим водным растворам слабых кислот, оснований и солей. Тем не менее, следует особо подчеркнуть, что опасно слишком полагаться на эту общую характеристику. Полимеры довольно часто подвергаются деструкции, хотя механизмы этих процессов отличны от механизмов, связанных с коррозией металлических материалов.
Некоторые процессы деструкции полимеров могут протекать чрезвычайно быстро, приводя к значительным разрушениям изделия. Такие механизмы могут включать: (а) непосредственное быстрое и сильное химическое воздействие на полимер, вызывающее деструкцию длинных цепей молекул и приводящее к разрыву последних на цепочки коротких сегментов, или (Ь) процессы воздействия растворителя, в котором молекулы полимера легко растворяются. Примером таких химически агрессивных веществ, которые могут стать причиной быстрого разрушения полимеров, являются кислоты с высокой окисляющей способностью. В исследовании, предпринятом автором, полное разрушение полимера, армированного стекловолокном, происходило менее чем за один час при погружении в дымящую азотную кислоту. Другим примером является эффект быстрого растворения поливинилхлорида под действием некоторых органических реагентов, например, ацетона или трихлорэтилена. Очевидно, что устойчивость к воздействию таких агрессивных веществ и растворителей сильно зависит от типа полимера; этот вопрос будет обсуждаться в этой главе ниже.
Другие процессы деструкции полимеров по своей природе являются длительными. Одним из таких процессов является «гидролиз», который заключается в разрушении полимерной цепочки под действием ионов (ОН)" из окружающей среды. Примером, хорошо иллюстрирующим это явление, является окисление ацетата целлюлозы мембран обратного осмоса при значениях рН, превышающих 7. Другой механизм деструкции - это «пластификация» и «растрескивание под действием внешних факторов». Первый из них вызывает постепенное размягчение материала, а последний подобен растрескиванию металлов под нагрузкой, хотя может также включать и процессы усталости. Похоже, что механизм растрескивания под нагрузкой заключается в разрушении межмолекулярных связей без размягчения материала. Представленный пример иллюстрирует воздействие NaOH на поливинилиденфторид (см. далее). Хорошо известно, что характеристики усталости металлических материалов в значительной степени зависят от окружающей среды, и то же самое можно сказать о полимерах. Таким образом, явно обнаруживается недостаток исходных данных для проектирования из термопластов трубопроводов, эксплуатируемых под нагрузкой.
Ниже описываются некоторые полимерные материалы, хорошо зарекомендовавшие себя для изготовления различных изделий и элементов трубопроводов, в том числе и для монтажа трубопроводов воды широкого спектра назначения. Как и некоторые другие полимеры (фторполимеры), они слишком дороги для использования в обычных водопроводных сетях, но привлекательны для применения в целях, рассматриваемых в этой главе.Этот материал очень широко используется в промышленности для систем распределения воды и газов, особенно там, где не требуются высокие нагрузки, т. е. отсутствуют высокие давления и/или не используются трубы большого диаметра.
Контролируя условия процесса полимеризации, можно получать ПЭ с различной плотностью - в интервале от 0,91 г/см3 (полиэтилен низкой плотности - low density polyethylene) до 0,96 г/см3 (полиэтилен высокой плотности - high density polyethylene). По мере увеличения плотности увеличиваются такие показатели, как точка размягчения, прочность при разрыве, абразивная стойкость и общая стойкость к химическим реагентам при комнатных температурах, при этом уменьшается водопроницаемость.
Соединения полиэтиленовых труб между собой и труб с фитингами можно выполнять путем термического сплавления, в процессе которого концы труб и/или патрубки фитингов, предварительно нагретые, с усилием соединяются вместе.
Особым типом ПЭ является ПЭ сверхвысокомолекулярный (ultra-high-molecular-weight polyethylene). Он имеет очень длинные молекулярные цепи и молекулярную массу свыше трех миллионов (по сравнению с молекулярной массой порядка 500 ООО для марок обычного ПЭ, описанного выше). Такая структура экстремально длинных цепей придает материалу очень высокую химическую инертность, включая чрезвычайную устойчивость к растрескиванию под нагрузкой, и значительно улучшенные механические свойства материала (например, большую ударную прочность). Тем не менее, ПЭ сверхвысокомолекулярный не обладает такими же термопластичными свойствами, как ПЭ обычных марок, и технические изделия из него по свойствам более похожи на изделия из термо-реактопластов, изготовленных методом поршневой экструзии, литьем под давлением и финишной механической обработкой.
Все марки ПЭ чрезвычайно чувствительны к действию ультрафиолетового (УФ) излучения, например, солнечного света, под действием которого происходит деструкция полимера. Поэтому в ПЭ могут вводиться стабилизаторы ультрафиолета (например, углерод); другим вариантом, ограничивающим или исключающим воздействие на полимер УФ-излучения, является его защита покрытиями, поглощающими это излучение. Такие покрытия должны разбавляться водой и не содержать растворителей, поскольку некоторые типы органических растворителей могут разрушать полимер.