Сухое хранение, как защита от коррозии

Хранение металлических узлов и деталей, как правило, является составной частью многих производственных процессов. Вместе с тем давно известно, что качество металлов, как и многих материалов, при хранении ухудшается и они разрушаются. Причины разрушения, в большинстве случаев, известны и изучены достаточно хорошо.

Разрушение металлов при их хранении вызывается, прежде всего, коррозией. По данным Института физической химии РАН, каждая десятая доменная печь в России работает «впустую»: коррозия съедает до 10 % производимого в стране металла. Ущерб, наносимый коррозией, состоит не только в потере массы металла, но и в ухудшении функциональных свойств изделий, снижении их потребительской стоимости и долговечности. Поэтому в настоящее время задача борьбы с коррозией является очень актуальной. Металлы подвергаются как общей, так и еще более опасной локальной, или питтинговой коррозии.

Места коррозионного повреждения металла становятся концентраторами напряжений, и в этих местах наиболее вероятно появление усталостных трещин. Под напряжением коррозионные язвы даже небольшого размера приводят к коррозионному растрескиванию на высоконагруженных деталях [1]. Для возникновения электрохимической коррозии в воздухе (так называемой «атмосферной коррозии») необходимо наличие трех факторов: разности потенциалов между неоднородными участками металлической поверхности, воздействия на металлическую поверхность кислорода и воды.

Для предотвращения коррозии достаточно исключить любой из этих трех факторов. Ликвидировать наличие неоднородных участков на металлической поверхности практически невозможно. Поэтому все применяемые в настоящее время методы защиты от коррозии направлены на предотвращение контакта металла с кислородом воздуха или с влагой. При отсутствии влаги железо практически не корродирует.

В присутствии кислорода коррозия протекает наиболее интенсивно при наличии на поверхности металла остатков влаги или же при высокой относительной влажности воздуха. Наиболее явными способами защиты металлов от коррозии являются способы, предотвращающие их контакт с влагой. Прежде всего, это применение органических, неорганических и металлических покрытий. Альтернативой различным покрытиям является защита металлов сухим (или осушенным) воздухом. Основными преимуществами использования сухого воздуха вместо покрытий являются высокая эффективность, простота, надежность, экологическая безопасность и др.

Возможность использования сухого воздуха для защиты металлов от коррозии стала очевидной после экспериментов, выполненных Верноном [2] почти век назад. Теоретически, в незагрязненной атмосфере при постоянной температуре и относительной влажности ниже 100 % металл, имеющий чистую поверхность, устойчив к коррозии.

На практике, однако, вследствие естественных колебаний температуры (а, значит, относительной влажности) и наличия гигроскопических примесей в атмосфере или в самом металле можно быть уверенным в отсутствии конденсации влаги на поверхности металла только при относительной влажности много меньше величины 100 %. Вернон впервые показал, что существует критическое («пороговое») значение относительной влажности воздуха, ниже которого коррозия незначительна.

Оно зависит от наличия примесей в атмосфере и на самом металле. Для сталей, меди, никеля и цинка критические значения относительной влажности в незагрязненном воздухе находятся в диапазоне от 50 до 70 %. Как видно из функциональной зависимости скорости коррозии от относительной влажности воздуха (рис. 1), для предотвращения коррозии необходимо поддерживать относительную влажность воздуха ниже определенной «пороговой» величины.

Во многих случаях для того, чтобы предотвратить коррозию, достаточно понижения относительной влажности воздуха до 60 %. Наличие в воздухе даже незначительных концентраций гигроскопической пыли или других примесей уменьшает «пороговую» величину влажности ниже 50 % [1]. Если в воздухе присутствуют хлорид натрия или диоксид серы, критический уровень относительной влажности воздуха составляет 46 %, поэтому, чтобы полностью исключить коррозию, необходимо обеспечить значение относительной влажности воздуха не выше 40 %. Рассматривая процессы изменения состояния атмосферного влажного воздуха, следует учитывать, что при охлаждении он достигает состояния насыщения, которое наступает при температуре точки росы.

Это состояние соответствует максимальной относительной влажности — 100 % RH. При дальнейшем охлаждении воздух становится пересыщенным влагой, и она начинает выделяться из него в виде тумана или росы. За счет образуемой разности парциальных давлений атмосферной влаги и насыщенного пара происходит конденсация пара на поверхностях, температура которых ниже точки росы воздуха, что приводит к их намоканию или образованию инея.

Одной из причин выпадения конденсата, с которой часто приходится сталкиваться, является суточное изменение температур атмосферного воздуха. Оно наиболее выражено в условиях континентального климата. Массивные металлические части конструкций и оборудования выхолаживаются в ночные часы и, благодаря значительной теплоемкости, остаются переохлажденными в утренние, а также частично и в дневные часы.

Атмосферный воздух, являясь средой значительно более лабильной, в утренние часы сравнительно быстро увеличивает свое теплои влагосодержание. За счет этого его точка росы при определенных условиях превышает температуру металлических поверхностей, в результате чего происходит процесс конденсации избыточной влаги. Влага, конденсируемая на наружных поверхностях в виде тонкой пленки, под действием подвижности атмосферного воздуха (ассимиляции) более или менее быстро испаряется. Но если количество испарившейся влаги меньше, чем сконденсированной, то тонкая водяная пленка превращается в капли, которые стекают в нижние части оборудования, и происходит накопление влаги.

Значительно более опасной является конденсация влаги на внутренних, плохо продуваемых поверхностях оборудования в различного рода каналах и полостях. Благодаря высокой теплопроводности металлов температуры внутренних и наружных поверхностей значительно не различаются, а для тонкостенных конструкций их вообще можно считать равными.

То есть температура внутренних поверхностей также зависит от суточного изменения температур. Поэтому процесс конденсации в застойных внутренних полостях и каналах происходит так же, как и снаружи. Но сконденсированная влага в замкнутых пространствах испаряется значительно медленнее, чем конденсируются свежие порции влаги, поэтому конденсат стремительно накапливается.

На рис. 2 в качестве характерного примера показано почасовое изменение температур 27.09.1991 в городе Санкт-Петербурге [3]. Линия 1 показывает изменение температуры воздуха по сухому термометру. В нашем примере эта температура использована для определения температуры поверхности некоторого оборудования при отсутствии солнечной радиации.

Линия 2 иллюстрирует изменение температуры точки росы. Линия 3 соответствует средней температуре воздуха предыдущих суток, то есть 26.09.1991. В первом самом грубом приближении для теплоемкого и теплоинерционного оборудования можно полагать, что его температура практически неизменна в течение суток и соответствует средней температуре воздуха предыдущего периода, например предыдущих суток.

На графике видно, что начиная с 10:00 до начала следующих суток (и далее за пределами рассматриваемого временного интервала), точка росы (линия 2) превышает температуру поверхности (линия 3), а значит, в это время избыточная влага будет конденсироваться на поверхности. Реальные металлические изделия, особенно тонкостенные, могут не иметь большой теплоинерционной способности. Такой случай характеризует линия 4, которая моделирует изменение температуры оборудования в зависимости от температуры окружающего воздуха при условии полного выравнивания температур в течение 12 часов. Как видно на рис. 2, на поверхности такого оборудования конденсация влаги будет наблюдаться с 09:00 до 15:00, когда температура поверхностей оборудования ниже температуры точки росы. Таким образом, задача защиты металлоизделий от коррозии сводится к их хранению в сухом атмосферном воздухе с относительной влажностью не выше критического значения.

Если относительная влажность выше критического значения, то ее можно снизить до значения ниже критического двумя способами: либо нагревая воздух, либо удаляя влагу из воздуха. Например, насыщенный воздух с температурой 20 °C и относительной влажностью 100 % содержит влагу около 15 г/кг. Если температуру воздуха повысить на 12 °C (до 32 °C), то при том же влагосодержании (соответственно, при том же парциальном давлении водяного пара) относительная влажность воздуха снизится до 50 %. Это свойство атмосферного воздуха издавна используется при хранении металлоизделий в отапливаемых складских помещениях.

Очевидными недостатками такого хранения являются затраты на строительство теплоизолированного здания и постоянные затраты на его отопление. Дело в том, что даже в жаркие летние дни необходимо нагревать воздух в помещении, чтобы поддерживать требуемое невысокое значение относительной влажности. А степень прогревания будет зависеть от относительной влажности наружного атмосферного воздуха: чем выше влажность, тем больше требуется нагреть воздух.

Причем в итоге эта тепловая энергия бесполезно выбрасывается в окружающую среду. Дополнительной сложностью для обработки и поддерживания требуемых параметров воздуха является ограниченная и непостоянная способность нагретого воздуха к поглощению водяных паров, так как она зависит от времени года, температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха.

В другом способе уменьшение относительной влажности воздуха достигается непосредственно удалением влаги из воздуха. Например, если из того же самого насыщенного воздуха (20 °C и 100 % RH) удалить ровно половину содержащейся в нем влаги, то есть уменьшить влагосодержание на 7,5 из 15 г/кг, то относительная влажность воздуха уменьшится до 50 %. И такой осушенный воздух будет в той же степени эффективен для защиты металлов от коррозии.

Для уменьшения влагосодержания воздуха применяются специальные воздухоосушительные установки, или осушители воздуха. В силу конструктивных особенностей и по показателю влагосъема на 1 кВт потребляемой энергии [4] для условий невысоких температур в неотапливаемых складах единственно возможным способом осушения воздуха является адсорбционный метод. Он основан на сорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ — сорбентов. Они имеют развитую пористо-капиллярную структуру, благодаря чему извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается. Поэтому сорбент необходимо периодически регенерировать, то есть удалять из него влагу, нагревая его потоком горячего воздуха.

Количество горячего регенерирующего воздуха незначительно и составляет всего 25–35 % от количества осушенного воздуха. А это обуславливает высокие показатели эффективности процесса осушения при относительно небольших затратах тепловой энергии на нагревание регенерирующего потока. Для реализации адсорбционного метода могут использоваться адсорбционные осушители разных типов: двухадсорберные, роторные, компрессорные безнагревные и др.

В настоящее время в силу неоспоримых достоинств применяются, в основном, адсорбционные осушители роторного типа (рис. 3). Их основным элементом является медленно вращающийся ротор, заполненный сорбентом. В качестве сорбента обычно используется силикагель, имеющий относительно невысокую температуру регенерации (до 150 °C). Осушаемый и регенерирующий потоки воздуха проходят параллельно и навстречу друг другу, не перемешиваясь, через разные секторы ротора. Водяной пар из осушаемого потока поглощается сорбентом в осушающем секторе ротора, а в регенерирующем секторе пар удаляется из сорбента горячим потоком. Затем насыщенный влагой регенерирующий поток должен быть отведен по воздуховоду за пределы помещения.

Когда сорбент поглощает влагу из потока проходящего воздуха, воздух не только осушается, но еще и нагревается приблизительно на 10–20 °С. Иногда это может приводить к незначительному нагреванию помещения, но, как правило, из-за рассеяния энергии в окружающую среду нагревание не ощущается. Для подбора осушителей в складское помещение сначала необходимо определить объем влагопоступлений [л/ч]: с поступающим на хранение оборудованием, с наружным воздухом через открываемые двери, ворота и иные проемы, через неплотности гидроизоляции и паропроницаемые элементы ограждений, от работающих людей и из других источников влаги.

В силу разнообразия причин влагопоступлений невозможно предложить единую расчетную методику подбора, поэтому в каждом конкретном случае необходимо учитывать в расчетах специфику местных условий. Затем по общей величине влагопоступлений следует выбрать агрегаты, имеющие соответствующую производительность по влагоудалению [л/ч]. Иногда при выборе приходится учитывать подачу осушенного воздуха [м3/ч] и другие характеристики воздухоосушителей.

Использование осушенного воздуха (вместо нагретого) для защиты металлоизделий от коррозии существенно снижает требования к строительным конструкциям складских помещений. Прежде всего, отпадает необходимость в теплоизоляции. Но при этом нельзя забывать, что требования к гидроизоляции должны оставаться такими же высокими, как для отапливаемых помещений.

Таким образом, с экономической точки зрения строительство и эксплуатация неотапливаемых складов с осушенным представляются более привлекательными, чем отапливаемых складов. В западных странах уже накоплен большой практический опыт эксплуатации неотапливаемых сухих складов. Сначала такие помещения использовались для хранения военного оборудования, а теперь они широко используются для хранения металлоизделий в машиностроительной промышленности, автомобилестроении и других областях.

Для нас очень интересен опыт, накопленный нашими северными соседями с похожими климатическими условиями, а именно таких стран как Швеция, Дания, Норвегия и др. В одной Швеции сегодня имеется примерно 400 неотапливаемых складов. Так, например, на заводах крупнейшего шведского автомобильного концерна Volvo сроки хранения отдельных металлоизделий (кузовного листа и др.) могут составлять от нескольких недель до нескольких месяцев.

При этом, чтобы гарантировать сохранность металлоизделий с минимальными затратами, их необходимо хранить в сухих помещениях без затрат на отопление. Аналогичное решение об использовании сухих складов для хранения листового металла, двигателей и других изделий между отдельными стадиями производственного процесса было принято и реализовано в другом регионе — на севере Франции на заводах автомобилестроительной корпорации Renault. Аналогично используются сухие складские помещения на предприятиях шведской компании ABB Stal-Laval. Эти и многие другие предприятия при выборе способа хранения металлоизделий предварительно и по факту проверяли экономическую целесообразность принятия подобного решения.

Учитывались не только ключевые моменты (капиталовложения, эксплуатационные затраты), но и такие, казалось бы, «мелочи» как: обогреваемые кабины погрузчиков, дополнительные воздушные завесы, обеспечение удовлетворительных условий труда и т.п. Все результаты показали, что наиболее экономичным решением при должном обеспечении удовлетворительных условий труда являются неотапливаемые склады с осушенным воздухом.

Кроме этого, было отмечено, что в сухих складах не существует проблемы образования конденсата на внутренних холодных поверхностях, которая имеет место в отапливаемых помещениях в холодное время года. А это вынуждает принимать в теплых помещениях дополнительные меры по предотвращению образования и вредного воздействия конденсата.

В итоге, по данным зарубежных источников, при строительстве и эксплуатации неотапливаемых складов и при их сопоставлении с отапливаемыми складами аналогичной емкости и в том же регионе можно сделать следующие обобщенные выводы. Капиталовложения в осушитель воздуха, его монтаж, организацию отвода влажного воздуха и т.п. в неотапливаемом складе без теплоизоляции приблизительно в два раза меньше расходов на отопительную систему и тепловую изоляцию для традиционного отапливаемого склада.

В неотапливаемом складе с воздухоосушителем эксплуатационные расходы примерно в 2,5–3 раза меньше, чем в отапливаемом складе из-за уменьшения расхода электрической энергии. Кроме этого, при снижении температуры наружного воздуха затраты на отопление теплого склада несколько возрастут, в то время как потребляемая мощность осушителя в неотапливаемом складе останется неизменной.

Поэтому с учетом того, что во многих областях России климат в среднем более прохладный, чем в Скандинавии, экономия на эксплуатационных расходах в неотапливаемых складах ожидается более значительной. Также следует отметить, что в среде осушенного воздуха обеспечивается более надежная защита металлов от коррозии, чем в среде нагретого, но не осушенного воздуха. Таким образом, неотапливаемый склад с сухим воздухом (холодный склад) представляет экономически более привлекательную альтернативу обычному обогреваемому складу. Представленные выше рассуждения и выводы говорят о преимуществах выбора в пользу хранения металлоизделий в сухом воздухе для их защиты от коррозии.

Однако все вышеизложенное будет в полной мере справедливо для любых материалов, если их необходимо ограждать от разрушающего воздействия повышенной влажности при непременном условии, что допускается возможность хранения этих материалов при низких температурах окружающей среды.