Введение
Нефтегазовое оборудование работает с агрессивными средами. Наиболее актуальной проблемой являются процессы коррозионной эрозии поверхности. Элементы трубопроводного транспорта углеводородов подвергаются химической, электрохимической, подземной, биологической и атмосферной коррозии [1–2]. Именно поэтому к данному оборудованию предъявляются высокие требования по надежности и долговечности.
Защита металлоконструкций от коррозии – это комплекс мероприятий по антикоррозионной обработке, включающий в себя рациональное проектирование изделий и механизмов, качественную очистку поверхности от производственных загрязнений, структурирование поверхности, модификацию свойств поверхности (легирование, упрочнение и т.п.) и нанесение антикоррозионных покрытий.
Защитные антикоррозионные покрытия можно разделить на две основные группы: металлические (цинковые, алюминиевые и т.п.) и неметаллические (лакокрасочные покрытия, полимерные термопластичные покрытия и т.п.). Наилучшего результата добиваются при нанесении на поверхность металлоконструкций металлического покрытия, которое также защищается от окружающей среды неметаллическим покрытием [1–3]. Первым и важным этапом обработки поверхностей является их очистка от оксидных пленок, окалины и органических и неорганических покрытий и загрязнений. От качества очистки поверхности металла зависит результат антикоррозионной обработки.
Традиционные технологии очистки стальных поверхностей (химические и механические) являются энергозатратными, недостаточно эффективными, требуют применения расходных материалов, а также обладают множеством других недостатков, из которых наиболее существенным является вредность для окружающей среды, особенно при химических способах [4]. При использовании традиционных технологий полное удаление загрязнения, как правило, невозможно без повреждения основного материала.
В данной работе рассматривается инновационный подход для очистки поверхностей стальных конструкций трубопроводного транспорта углеводородов, основанный на применении источников лазерного излучения. Так, компанией ООО «НПП ВОЛО» за последние 5 лет были выполнены инициативные исследования по возможности лазерной очистки внутренних поверхностей насосно-компрессорных труб (НКТ) от эксплуатационных загрязнений: слоя солевых отложений, ржавчины, а также от старого защитного покрытия.
Кроме того, НПП ВОЛО совместно с Университетом ИТМО проводит исследования по разработке технологии лазерной очистки металлопроката от окалины способом термомеханического разрушения.
Также приведены результаты исследований по улучшению эффективности холодного газодинамического напыления металлических покрытий при использовании лазерной очистки поверхности подложки с одновременным лазерным подогревом области напыления.
Известно [5–14], что лазерная очистка уже зарекомендовала себя в реставрационной деятельности и в некоторых сферах промышленного применения как безопасный для окружающей среды и удобный в использовании способ удаления различных загрязнений, отличающийся бесконтактностью, отсутствием расходных материалов и инструментов, низкими эксплуатационными затратами, принципиальной возможностью удалять любые типы загрязнений и рядом других преимуществ, связанных с применением лазерного излучения с высокой плотностью мощности.
В последнее десятилетие наибольшее распространение получила технология лазерной очистки, основанная на испарении материала загрязнения наносекундными (100–200 нс) импульсами с высокой плотностью мощности (>107 Вт/см2). Применение иттербиевых импульсных наносекундных волоконных лазерных источников оправдывается универсальностью воздействия: остросфокусированный лазерный пучок позволяет удалить практически любое загрязнение с поверхности большинства материалов. Короткая длительность импульса также позволяет минимизировать воздействие на основной материал, в металлах зона термического воздействия и оплавления ограничивается единицами микрон [5–10].
Однако использование коротких импульсов для испарения загрязнения оправдывается в случае малой толщины удаляемого слоя (1–10 мкм). При толщине загрязнения порядка 0,1 мм и более, например, слоя эпоксидной краски, солевых отложений или слоя ржавчины процесс очистки с использованием лазерных источников с короткой длительностью импульсов оказывается низкопроизводительным.
В настоящее время также развивается направление лазерной очистки с использованием непрерывного волоконного лазера высокой средней мощности [11–14]. Непрерывные волоконные лазеры позволяют выполнять очистку с высокой производительностью. Однако при нерациональном выборе параметров воздействия непрерывное лазерное излучение может в значительной степени повреждать поверхность металла и приводить к нежелательным термическим преобразованиям в структуре металла [14]. Поэтому для внедрения лазерной очистки на предприятия топливно-энергетического комплекса необходимо решить две основные задачи: увеличить производительность и энергоэффективность лазерных комплексов очистки, а также минимизировать повреждение очищаемой поверхности.
1. Лазерная очистка внутренней поверхности НКТ
1.1. Задачи лазерной очистки НКТ
Очистка внутренней поверхности НКТ от асфальтосмолистых веществ, парафинов и всевозможных других отложений, присутствующих в сырой нефти является актуальной задачей для нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих компаний. В процессе эксплуатации НКТ и труб местных нефтепроводов постепенно происходит уменьшение их пропускного сечения и их пропускной способности. Поэтому трубы подлежат периодической замене. Восстановить эксплуатационные свойства бывших в употреблении труб возможно за счет их очистки. Существующие традиционные технологии позволяют эффективно удалить основной слой асфальтосмолистых веществ, парафинов и солевых отложений, однако оставшийся относительно тонкий слой обладает высокой адгезией к металлу и механической прочностью. Окончательная чистовая очистка внутренней поверхности НКТ и труб нефтепроводов может быть эффективно осуществлена с помощью лазеров.
1.2. Оборудование и образцы
В рамках исследований лазерной очистки внутренней поверхности НКТ от эксплуатационных загрязнений и покрытий был создан лабораторно-экспериментальный стенд лазерной очистки. Основные технические характеристики стенда приведены в табл. 1.
В качестве образцов для демонстрации возможностей технологии лазерной очистки были выбраны три отрезка НКТ с наружным диаметром 73 мм и толщиной стенки 6 мм.
Образец № 1. Труба с солевыми отложениями толщиной около 6 мм. Данные солевые отложения были удалены механическим способом. После очистки от солевых отложений на внутренней поверхности трубы остались отложения светло-серого цвета с высокой адгезией к поверхности. Толщина слоя отложений примерно 0,1–0,2мм, отложения имели высокую механическую прочность.
Образец № 2. Труба, внутренняя поверхность которой покрыта асфальтосмолопарафиновыми отложениями (АСПО), толщиной более 20 мм. АСПО были удалены высокоскоростной струей горячего воздуха. После этого обнаружилась поверхность трубы, покрытая слоем ржавчины толщиной более 0,3 мм. В таком виде труба подавалась на окончательную лазерную очистку.
Образец № 3. Труба, на внутреннюю поверхность которой нанесено полиуретановое покрытие. Толщина покрытия примерно 0,1 мм.
1.3. Результаты экспериментов
В результате экспериментальных исследований были определены основные параметры технологии (скорость и качество очистки) в зависимости от мощности лазерного излучения для различных типов загрязнений и покрытий.
Очистка выполнялась в испарительном режиме разрушения загрязнений. Для размера пятна лазерного излучения в зоне обработки 0,5×0,6 мм2 плотность мощности составляет 730 кВт/см2. Результаты очистки образцов приведены на рис. 1. При получении равномерного металлического блеска очищаемой поверхности, могут быть достигнуты следующие скорости обработки:
• удаление солевых отложений толщиной до 0,2 мм с производительностью до 3,5 м2/ч;
• удаление глубокой ржавчины с производительностью до 1,7 м2/ч;
• удаление полиуретанового покрытия с производительностью до 6,9 м2/ч.
Показана возможность лазерного удаления остаточных слоев эксплуатационных загрязнений, слоя ржавчины и старых защитных покрытий. Применение лазерной очистки оправдано на заключительном этапе очистки внутренней поверхности НКТ непосредственно перед нанесением новых защитных покрытий.
2. Лазерная очистка металлопроката от окалины
2.1. Задачи очистки окалины
Окалина, оставшаяся на поверхности стали приводит к ускоренной коррозии и разрушению стальных изделий. Очистка горячекатаного металлопроката и изготовленных из него изделий является актуальной задачей при производстве труб и различных конструкций для трубопроводного транспорта углеводородов. Трудоемкость удаления окалины связана с ее высокой твердостью, износостойкостью и адгезией к стали. В отличие от солевых отложений, ржавчины и полимерного покрытия, которые удалялись способом испарения, окалина обладает высокой теплопроводностью и хорошим тепловым контактом со сталью. Температура кипения окалины практически равна температуре кипения стали. В результате, на испарение окалины требуется много энергии, причем существенная ее часть затрачивается на бесполезный нагрев стали и приводит к повреждению поверхности изделий. Высокотемпературный нагрев стали в атмосферных условиях вызывает формирование новой окалины, что перекрывает эффект очистки. Представлены результаты разработки подхода к лазерной очистке окалины способом термомеханического разупрочнения и разрушения. Целью разработки данного подхода является увеличение производительности процесса очистки и минимизация повреждения поверхности стали.
2.2. Оборудование и образцы
Для реализации лазерного нагрева в экспериментах был использован непрерывный волоконный лазер максимальной мощностью 2 кВт совместно с круговой сканирующей системой, включающей вращающийся клин и фокусирующую систему. Технические характеристики экспериментальной установки приведены в табл. 2.
Основными составляющими прокатной окалины являются магнетит и продукт эвтектоидной реакции распада вюстита: смесь магнетита и железа. Также в прокатной окалине может сохраняться некоторое количество вюстита [15–18]. Учитывая структуру окалины и процесс ее формирования, был сделан вывод о возможности разрушения и удаления окалины за счет интенсивного лазерного нагрева ее на всю глубину и интенсивного охлаждения при отведении тепла вглубь металла. В процессе нагрева окалины свыше 570 °С из механической смеси магнетита и металлического железа формируется вюстит. Во время охлаждения при температуре ниже 570 °С вюстит вновь распадается на магнетит и металлическое железо. Высокие градиенты температур при циклах нагрева и охлаждения и различные коэффициенты линейного расширения фаз окалины и стали формируют напряжения в слое окалины [19]. В результате совокупность физико-химических и термомеханических механизмов при лазерном воздействии позволяет разупрочнить и разрушить исходный слой окалины. Так как температура нагрева поверхности стали существенно ниже температуры ее плавления, то повреждение поверхности и формирование новой окалины не происходит [20].
2.3. Результаты экспериментов
Эксперименты выполнялись на листах горячекатаного металлопроката толщиной 2,5,6 и 10 мм. Поверхность данных листов была покрыта тонкой, гладкой, сплошной и твердой прокатной окалиной, толщина которой варьировалась для различных листов от 10 до 30 мкм. Экспериментально установлено, что данная окалина не может быть удалена методом испарения при обработке пучком излучения непрерывного лазера с плотностью мощности до 1000 кВт/см2.
Выполним оценку параметров для прогрева окалины толщиной 15 мкм. Длительность нагрева оценим по глубине термического влияния по формуле (1) [21], которая должна составлять 15 мкм.
(1)
где h – глубина термического влияния;
a – температуропроводность магнетита, которая определяется по формуле (2).
(2)
где k – теплопроводность магнетита;
ρ – плотность магнетита;
с – теплоемкость магнетита (табл. 3).
По формуле (3) [21] оценим минимальное значение плотности мощности для выполнения термомеханического разупрочнения окалины. Критерием выберем локальное оплавление поверхности окалины, т.е. нагрев поверхности окалины до температуры плавления Тпл=1597°С [22]. При этом принимается приближение равномерного распределения плотности мощности по пятну. Начальная температура образца принимается равной 20 °С. Чтобы получить на поверхности окалины плотность мощности, рассчитанную по формуле (3) для лазера мощностью 2кВт необходимо выбрать пятно диаметра 2,1 мм.
(3)
При исследовании термомеханического разрушения были экспериментально найдены параметры лазерного воздействия, приводящие к разупрочнению и разрушению прокатной окалины в твердом фазовом состоянии, без заметного вклада испарения. Переменными параметрами режимов являлись: плотность мощности, длительность воздействия и число циклов воздействий (нагрева и охлаждения). Линейная скорость перемещения центра окружности сканирования устанавливалась так, чтобы за один оборот пятна происходило смещение окружности на диаметр пятна.
Если в исследуемом режиме достигался эффект удаления окалины, то для него определялось число циклов воздействий и пороговая плотность энергии очистки (плотность энергии от одного воздействия, умноженная на число воздействий), необходимые для удаления окалины. Пороговая плотность энергии очистки является критерием эффективности исследуемого режима, чем она ниже, тем эффективнее данный режим и, соответственно, выше его производительность.
Критерием разупрочнения и разрушения окалины считалось появление трещин на ее поверхности, фрагментация и отслоение фрагментов окалины. При этом внешний вид поверхности менялся с глянцевого (у исходной окалины) на матовый (у разрушенной).
В результате проведенных экспериментов была получена область режимов обработки, при которых реализовывался механизм разрушения окалины. Получен следующий диапазон основных параметров лазерного воздействия при очистке листов проката толщиной 5 мм: длительности воздействия 400–80 мкс при выборе плотности мощности из диапазона 50–
250 кВт/см2. На рис. 2 приведен график зависимости плотности энергии очистки (от всех воздействий) от длительности однократного воздействия.
Окончательная очистка выполнялась лазерным (рис.3), механическим и химическим воздействием. В первом случае очистка от остаточного слоя окалины выполнялась с помощью импульсного волоконного лазера с длительностью импульсов 100 нс в режиме испарения и сублимации окалины. Для лазерного испарения импульсами длительностью 100 нс пороговая плотность энергии чистовой очистки составляет всего ~ 20 Дж/см2.
При механической очистке использовалась обработка металлической щеткой и абразивным лепестковым кругом. В качестве химического метода окончательной очистки выполнялось травление в лимонной кислоте. Во всех описанных случаях окончательная очистка выполнялась в несколько раз быстрее, чем очистка данными способами исходной окалины, что подтверждает правильность выбранной стратегии предварительного лазерного разупрочнения и разрушения исходной окалины перед дополнительным воздействием с целью полной очистки металлопроката от окалины.
Низкотемпературное воздействие на первом этапе обработки и минимальное, либо полное отсутствие теплового воздействия на этапе окончательной очистки позволили сохранить исходную структуру стали, а также избежать термической деформации и коробления очищаемых листов металлопроката. Производительность процесса очистки, полученная в экспериментах, зависела от свойств окалины на очищаемом образце. Очистка листов толщиной 5 мм выполнялась с производительностью 4,5 м2/ч.
Полученные результаты имеют высокую практическую значимость. Была обоснована возможность удаления прокатной окалины толщиной около 10–30мкм, состоящей в основном из магнетита, с помощью излучения непрерывного волоконного лазера. Вместо испарения было предложено удалять окалину в твердом фазовом состоянии за счет термомеханического разрушения. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили возможность практической реализации данного подхода к очистке металлопроката от окалины.
3. Лазерная очистка поверхности при лазерном газодинамическом напылении
3.1. Задачи лазерной очистки при лазерном газодинамическом напылении
Один из основных способов защиты рабочих поверхностей элементов трубопроводного транспорта углеводородов – нанесение металлических покрытий. При создании защитных металлических покрытий необходимо обеспечить качественную очистку поверхности стальной подложки. Сразу после удаления основных слоев загрязнений, окалины, слоя солевых отложений, ржавчины, старых покрытий, нефтепродуктов и т.п. очищенная поверхность начинает адсорбировать газообразные загрязнения, влагу, на нее оседает пыль, при повышенной влажности происходит атмосферная коррозия стали. Поэтому необходимо минимизировать временную задержку между процессом очистки и нанесением защитного покрытия. Лазерная очистка с помощью импульсного волоконного лазера может быть использована непосредственно перед нанесением покрытия.
Для исследования лазерного газодинамического напыления металлических покрытий на поверхность сталей был разработан экспериментальный стенд. Сущность лазерного газодинамического напыления состоит в использовании лазерного нагрева области напыления для увеличения эффективности напыления металлического порошка и улучшения качества получаемого покрытия [24, 25]. Напыление происходит при соударении металлических частиц со стальной подложкой. Частицы разгоняются в сверхзвуковом воздушном потоке. При ударе о поверхность подложки часть кинетической энергии частицы переходит в нагрев и деформацию частицы и подложки. За время контакта частиц с подложкой успевают сформироваться адгезионные связи, которые приводят к закреплению частиц и наращиванию покрытия [26]. Лазерный подогрев области напыления снижает пороговую скорость частиц, необходимую для закрепления, в результате этого увеличивается число закрепляющихся частиц и сила адгезионных связей. Лазерная очистка области напыления непосредственно перед напылением также повышает эффективность напыления и устраняет дефекты покрытия на границе с подложкой.
3.2. Результаты экспериментов
Очистка поверхности стального образца выполнялась иттербиевым импульсным волоконным лазером с максимальной средней мощностью 100 Вт при сканировании поверхности по быстрой координате гальваносканером и при сканировании по медленной координате за счет линейного перемещении образца. Был подобран следующий режим обработки:
• энергия в импульсе – 0,25 мДж;
• диаметр пятна в фокусе – 90 мкм;
• частота следования импульсов – 200 кГц;
• частота развертки лазерного пучка – 200 Гц.
В данном режиме обработка может выполняться с производительностью более 3 м2/ч. Реализуется чистовая очистка поверхности образцов, поверхность получалась свободной от различных загрязнений с упорядоченной микроструктурой.
В экспериментах по напылению цинковых покрытий установлено, что лазерная очистка поверхности подложки позволяет увеличить коэффициент использования порошка. Для неочищенной поверхности коэффициент использования порошка составил 11,5 %, а для очищенной – 18,9 %, т.е. увеличился в 1,6 раз. Лазерный нагрев очищенной поверхности при напылении привел к дополнительному увеличению коэффициента использования порошка до 20,4 %. Коэффициент использования медного порошка при напылении на очищенную поверхность без лазерного нагрева составил 14,2 % и при напылении с лазерным нагревом – 21,8 % , т.е. увеличился в 1,5 раза.
Толщина напыляемых покрытий составляла 50–300мкм. Цинковые покрытия такой толщины эффективно защищают сталь от коррозии. Проведенные эксперименты показали, что применение лазерного излучения совместно с холодным газодинамическим напылением позволяет улучшить качество покрытий и увеличить коэффициент использования напыляемого порошка.
Заключение
Выполнен ряд перспективных исследований по лазерной очистке и разработаны образцы новой лазерной техники. Полученные результаты являются значимым научно-техническим заделом в области лазерной очистки металлических поверхностей и актуальны для использования в топливно-энергетическом комплексе России. Внедрение предложенных направлений лазерной очистки на производственные и сервисные предприятия позволит выпускать высококачественное и надежное оборудование и элементы конструкций трубопроводного транспорта углеводородов.
Лазерная очистка внутренних поверхностей НКТ от коррозионных слоев, слоев солевых отложений и старых защитных покрытий с последующим лазерным газодинамическим нанесением металлических защитных покрытий позволяет восстановить эксплуатационные свойства бывших в использовании труб.
Внедрение технологии лазерной очистки поверхности металлопроката совместно с лазерным газодинамическим напылением защитных покрытий позволит выпускать трубы и металлоконструкции высокого качества с увеличенным сроком службы и сократит расходы на их эксплуатацию.
Продолжая исследования в области лазерной очистки металлических поверхностей, ООО «НПП ВОЛО» приглашает к сотрудничеству заинтересованные предприятия и научные коллективы.
