авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«ВЕСТНИК МОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Серия Судостроение и судоремонт Вып. 25/2008 УДК 629.5.083.5(06) ББК Вестник Морского ...»

-- [ Страница 3 ] --

УДК 541.135.541. В. Я. Шапкина, С. Г. Красицкая, Н. П. Шапкин ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ СУДОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИГЕТЕРОСИЛОКСАНОВ Известно, что полимерные покрытия широко используются в су достроении для защиты металлов от коррозии [1]. Ранее было показа но, что для получения высококачественных полимерных покрытий использовались композиции, в которых наполнителем служил при родный цеолит Чугуевского месторождения, в качестве модификатора связующего полимера использовался полихроморганилсилоксан [2].

Для более систематического и широкого изучения антикоррозий ных свойств защитных покрытий нами были разработаны композиции на основе перхлорвинила, полистирола, где в качестве наполнителя использовали цеолит, вермикулит, а в качестве модификаторов были использованы полихромфенилсилоксан, полифенилборфенилсилок сан, оксиды железа(III), меди(I), трифторида сурьмы.

Пример композиции: растворяли полистирол в толуоле (5%-ный раствор), вводили наполнитель алюмосиликат (10 %, 20 %, 30 %, 40 % по отношению к весу раствора смолы), вводили модификатор (3 % от веса предыдущего раствора). Металлические образцы готовили сле дующим образом: механически удаляли продукты коррозии, обезжи ривали толуолом, обрабатывали 10%-ным раствором серной кислоты с добавкой тиомочевины.

На подготовленный и высушенный образец кистью наносили по лимерное покрытие. После трехкратного нанесения покрытие сушили до постоянного веса на воздухе.

Коррозию образцов исследовали погружением пластин с защит ным покрытием в морскую воду в течение длительного времени. Че рез определенные временные промежутки отбирали пробы и опреде ляли содержание ионов железа. Определение скорости коррозии так же проводили весовым методом по убыли массы образца, с после дующим перерасчетом в мм/год по формуле m 10 4 v, S t где m – убыль массы образца, г;

– плотность металла или сплава, г/см ;

S – площадь поверхности образца, см2;

t – время экспозиции, сутки.

Процессы взаимодействия в системе поверхность алюмосили кат - полимер исследованы методом ИК-спектроскопии. В ИК-спектре алюмосиликата наблюдаются характеристические полосы поглоще ния, отвечающие связям SiOH (3630 см-1) OH (H2Oассоцир.) (3460…3380 см-1). О наличии связанной воды свидетельствуют также деформационные колебания в области 1630 см-1. В системах ПХВ алюмосиликат – ПС вышеуказанные полосы полностью отсутствуют, что свидетельствует о взаимодействиях, связанных с удалением воды.

Такое взаимодействие приводит к улучшению когезии композита и уплотнению покрытия. В системе алюмосиликат – полигетеросилок сан полосы, отвечающие колебаниям OH, имеют меньшую интенсив ность, но не исчезают до конца [2]. Вероятно, для данной системы взаимодействие протекает в меньшей степени и, соответственно, в меньшей степени упрочняется композиция.

Скорость коррозии в морской воде при температуре 20 С в зави симости от количества вводимого пигмента-наполнителя представле на в табл.1.

Таблица Зависимость скорости коррозии стали от состава покрытия Номер образца стали Скорость коррозии, мм/год 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, Примечания: 1) без покрытия;

2) с полистиролом (ПС);

3) ПС + 10% цео лита;

4) ПС + 20% цеолита;

5) ПС + 40% цеолита.

В табл. 1 показано, что при содержании цеолита выше 20 % ско рость практически не изменяется. Лучшие показатели у композита с 40 % цеолита, для которого скорость коррозии по сравнению с исход ным стальным образцом в 4,7 раза меньше, в то время как нанесение пленки полистирола без наполнителя приводит к снижению коррозии всего в 1,1 раза.

Замена полистирольного покрытия на перхлорвиниловое приводит к увеличению коррозии в 1,2 раза. Это также заметно и при введении 40 % цеолита, переход от ПХВ к ПС снижает коррозию в 1,8 раза. Эти данные подтверждает табл. 2, что свидетельствует о более плотной структуре полистирольного покрытия с цеолитом по сравнению со структурой перхлорвинилового покрытия с тем же количеством алю мосиликата.

Таблица Зависимость скорости коррозии от природы полимерного связующего Скорость коррозии, мм/год № Покрытие а б в 1 0,080 0,080 0, 2 0,029 0,047 0, 3 0,017 0,033 0, Примечания: а) на стали – 1) без покрытия;

2) полистирол;

3) ПС + 40% цео лита;

б) на стали – 1) без покрытия, 2) перхлорвинил, 3) ПХВ + 40% цеоли та;

в) на латунном образце – 1) без покрытия;

2) ПХВ;

3) ПХВ + 40% цеолита.

Введение таких модификаторов связующего, как полифенилбор фенилсилоксана (ПФБФС), оксида меди (I), трифторида сурьмы и сме си трифторида сурьмы, оксида меди (I) и полифенилборфенилсилок сана, а также замена цеолита на вермикулит, приводит к весьма инте ресным зависимостям (табл. 3).

Таблица Коррозия стали в зависимости от состава покрытия Скорость коррозии, мм/год № Полимер а б в 1 0,3644 0,0383 0, 2 0,4022 0,2189 0, 3 0,5914 0,0173 0, 4 0,3023 0,0091 0, Примечания: 1) Cu2O + вермикулит, 2) Cu2O, SbF3, ПФБФС + цеолит, 3) SbF3 + цеолит, 4)Fe2O3 + полимер. Связующие покрытия: ) перхлорвини ловая смола, б) перхлорвиниловая смола + полиэпоксид, ) перхлорвинил + + полиэпоксид + полистирол.

Усложнение состава покрытия иллюстрирует взаимодействие на химическом уровне. Наибольший эффект такого взаимодействия на блюдается при смешении перхлорвиниловой смолы и полиэпоксида.

Значительно влияет и структура алюмосиликата. Наименьшая вели чина коррозии наблюдается при введении вермикулита, пластинчатое строение частиц которого обеспечивает наибольшую плотность по крытия при одинаковом модификаторе (Cu2O).

При введении в качестве пигмента-наполнителя Fe2O3 в случае трехкомпонентной смеси полимера (ПХВ+ПЭ+ПС) наблюдалась наи высшая скорость коррозии, что, по-видимому, зависит от влияния по листирольного компонента, так как наименьшая скорость наблюда лась в отсутствие этого компонента.

Список литературы 1. Шапкина В. Я. Исследования антикоррозионных свойств защит ных полимерных покрытий с наполнителями на основе природных си ликатов / В. Я. Шапкина, Г. П. Щетинина, А. В. Аликовский, Н. П. Шап кин, Б. Б. Чернов, А. С. Скобун // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология.

– 2001. – Т. 44, № 4. – С. 141–143.

2. Шапкин Н. П. Исследование свойств силикагелей, модифициро ванных полисилоксанами / Н. П. Шапкин, А. В. Аликовский, Г. А. Кри жаненко, А. А. Капустина, В. П. Телешова // Коллоид. журн. – 1988. – Т. 50, № 3. – С. 551–557.

УДК 629.5.083.5:621.357.7: А. В. Ходаковская ВЫБРОСЫ И СБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ Современные технологические процессы активно нарушают рав новесие биосферы. В первую очередь это происходит посредством выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и сбросов сточных вод в природные поверхностные водоемы.

Атмосфера – тонкая и весьма чувствительная оболочка Земли. По стоянство ее состава – важнейшее условие существования человечества, поэтому любые изменения ее состава рассматриваются как загрязнение.

Вода – важнейший компонент природной среды, возобновляемый, но ограниченный и уязвимый ресурс. В результате хозяйственной дея тельности происходит загрязнение водных объектов – сброс в них сточных вод, а также образование вредных веществ, которые ухуд шают качество поверхностных и подземных вод, ограничивают их ис пользование, негативно влияют на состояние водных объектов.

В настоящей работе дается обзор и оценка факторов, возникаю щих при восстановлении деталей судового оборудования гальваниче скими методами, способных оказывать неблагоприятное воздействие на состояние окружающей среды.

При восстановлении деталей судового оборудования гальваниче скими методами используются процессы электролитического осажде ния хрома, железа и никеля – хромирование, осталивание и никелиро вание. Им всегда предшествуют: промывка с помощью чистого бен зина, электрохимические обезжиривание, химическое травление.

Промывку деталей в горячей и холодной проточной воде проводят в самом начале, а также после химического обезжиривания, электрохи мического обезжиривания, травления и электролитического осажде ния металла.

Электрохимическое обезжиривание проводится с целью устране ния трудноудаляемых загрязнений с поверхности детали. При этом используется электролит, в состав которого входят: натрий едкий тех нический, натрий углекислый и жидкое стекло.

Химическое травление применяется для очистки поверхности ме талла от оксидов. Травление осуществляется в 50 % растворе соляной кислоты [1] или в 1 части серной и 4 частях фосфорной кислот [3].

Хромирование – наиболее распространенная из гальванических операций. Со времени создания первых производственных установок по хромированию хромовые покрытия получили наиболее широкое распространение по сравнению с другими гальваническими покры тиями. Это связано с тем, что электрически осажденный хром облада ет рядом ценных свойств: высокой твердостью (1000…1100 НВ), из носостойкостью (в том числе и за счет снижения коэффициента тре ния сопряженных пар), жаростойкостью и химической устойчиво стью. Электролитическое хромирование применяется главным обра зом для повышения износостойкости, защиты от коррозии и для внешней отделки изделий.

Износостойкое хромирование получило два основных направления:

– увеличение износостойкости новых деталей и инструмента, под вергающихся механическому износу в процессе работы;

– восстановление размеров изношенных деталей, потерявших раз меры во время работы на трение.

Хромированию подвергаются детали из стали, меди, латуни, алю миния, алюминиевых и цинковых сплавов. Наиболее часто износо стойкому хромированию подвергаются стальные и чугунные детали машин без покрытия промежуточным слоем какого-либо другого ме талла. Химический состав металла покрываемой детали редко служит препятствием к хорошему сцеплению. Только стали с высоким содер жанием вольфрама и кобальта, а также высоко углеродистые и высо кокремнистые чугуны нельзя покрывать хромом.

Выбор технологического процесса хромирования определяется условиями эксплуатации деталей – если смазка трущихся поверхно стей затруднена, а удельные нагрузки достаточно велики, применяют покрытие пористым хромом, во всех прочих случаях прибегают к осаждению плотных хромовых покрытий. При ремонте деталей судов требуется значительное повышение износостойкости трущихся по верхностей стенок цилиндров и поршневых колец двигателей внут реннего сгорания, что достигается при применении процессов порис того хромирования [4].

Электролиты для хромовых ванн приготовляются из двух основ ных компонентов – хромового ангидрида (CrO3) и серной кислоты (H2SO4).

В техническом хромовом ангидриде, применяемом для приготов ления электролитов, допускается содержание следующих примесей:

серной кислоты не более 0,4 %, посторонних металлов в сумме не бо лее 0,007 %, хлора не более 0,0006 %, нерастворимого остатка не бо лее 0,22 %, хромового гидрида не менее 99,2 %.

Для приготовления электролита используется чистая серная ки слота. Применение технической кислоты допускается в порядке ис ключения.

Повышение производительности хромирования и улучшение ка чества покрытий достигается применением специального электролита, содержащего труднорастворимые соли сернокислого стронция (SrSO4) и кремнефтористого калия (K2SiF6). Наиболее часто используется электролит следующего состава: 225…300 г/л хромового ангидрида, 20 г/л кремнефтористого калия, 6 г/л сернокислого стронция.

Стоки ванн хромирования содержат опасные для окружающей среды ионы Cr6+, ПДК которого для рыбохозяйственных водоемов со ставляет 0,05 мг/л, поэтому их попадание в природные водоемы недо пустимо.

Хромовый ангидрит является сильным окислителем. При взаимо действии хромового ангидрида с водой образуется хромовая и дву хромовая кислоты, все соли которых ядовиты. Хромовый электролит легко окисляет органические вещества, поражает кожу и слизистые оболочки дыхательных путей, поэтому при приготовлении электроли та и эксплуатации ванны хромирования необходимо строгое соблюде ние правил техники безопасности: работники, обслуживающие хро мовые ванны, должны снабжаться резиновой спецодеждой (фартука ми, перчатками, сапогами);

для защиты дыхательных путей необхо димо использовать респиратор;

для предохранения глаз – защитные очки и т. д.

При электролизе обильно выделяются газы, поэтому ванна хроми рования должна быть обеспечена безупречно действующей бортовой вентиляцией.

При всех достоинствах метода электролитического хромирования его применение для восстановления изношенных деталей машин ог раничивается глубиной износа. В случаях, когда величина износа дос тигает 0,3 мм, хромирование становится нерациональным, так как при большой толщине слоя покрытия продолжительность процесса осаж дения велика, а осажденный металл имеет склонность к скалыванию.

В этих случаях может быть применено осталивание.

При осталивании из растворов солей железа (FeCl2 4H2O или FeSO4 7H2O) на рабочие поверхности деталей машин электролитиче ски наращивают железные покрытия большой твердости, прибли жающиеся к твердости стали.

Твердость покрытия зависит от состава электролита и режимов осталивания. Прочность сцепления покрытий со сталью, медью и чу гуном позволяет деталям надежно работать при больших нагрузках, покрытия не отслаиваются даже при пластинчатых деформациях. В целом твердость и износостойкость электролитического железа ниже, чем хрома. Поэтому осталенные детали обычно подвергаются допол нительно хромированию или цементации.

В состав электролита при осталивании входят:

– хлористое железо FeCl2;

– хлористый натрий NaCl;

– хлористый марганец MnCl2;

– соляная кислота НCl.

При катодном осаждении металла из горячих электролитов хлори стого железа электролит интенсивно испаряется, выделяя вредные га зы, поэтому при проведении осталивания необходимо строгое соблю дение правил техники безопасности.

Для повышения износостойкости трущихся деталей и восстанов ления их размеров иногда применяют твердое никелирование. Нике левые покрытия имеют меньшую твердость, чем хромовые, но обла дают другими преимуществами: они сравнительно легко обрабатыва ются, имеют большую вязкость при толщине слоя до 2 мм;

коэффици ент линейного расширения никеля близок к коэффициенту линейного расширения стали, в то время как у хрома он в несколько раз выше.

При твердом никелировании требуется в 3…4 раза меньшая мощ ность источников постоянного тока, чем при хромировании, а расход примерно в 20 раз меньше [3]. Поэтому в сравнении с пористым хро мированием процесс никелирования требует меньше материальных затрат.

Электролиты твердого никелирования имеют различные составы.

В состав наиболее широко применяемых ванн никелирования входят три основные компонента: сульфат никеля (NiSO4), борная кислота (H3BO3) и хлорид никеля или натрия (NiCl2 или NaCl). Иногда исполь зуется электролит в состав, которого входят сульфат никеля, щавели вокислый аммоний. Электролитическое осаждение твердого износо стойкого сплава никель-фосфор производят из электролитов, содер жащих сульфат никеля (NiSO4 7H2O), хлорид никеля (NiCl 6H2O), фосфорную кислоту (H3PO4), гипофосфит калия или натрия (KH2PO или NaH2PO2 H2O). Наличие хлоридов является важным условием, а их недостаток неблагоприятно влияет на протекание технологическо го процесса и отражается на качестве покрытий.

Стоки ванн никелирования содержат опасные для окружающей среды ионы Ni2+, ПДК которого для рыбохозяйственных водоемов со ставляет 0,01 мг/л, а также большое количество хлоридов, чрезмерное количество которых в окружающей среде ведет к засолению почв и водоемов. Ион двухвалентного никеля, попадая в окружающую среду в виде минеральных солей и других соединений, оказывает сильное негативное влияние на живые организмы, в том числе на человека.

Поэтому очистке сточных вод различных производств и утилизации отработанных растворов гальванического производства, содержащих соединения никеля, должно уделяется особое внимание.

При соблюдении этих условий применение никелирования на производстве несет значительно меньший вред окружающей среде и производственному персоналу, обслуживающему гальванические ванны никелирования, нежели процесс хромирования.

Процесс металлопокрытия в гальванических ваннах, сопровожда ется выделением серной и соляной кислот, щелочей, хромового ан гидрида, различных соединений водорода и др. с поверхностей при меняемых растворов.

Валовое количество каждого загрязняющего вещества, т/год, по ступающего в атмосферу при гальванической обработке деталей и из делий, определяется по формуле G = qГ F Т КВ 10–6, qГ – удельное количество загрязняющего вещества, выделяю где щегося с поверхности гальванической ванны при различ ных технологических процессах, г/ч, на 1 м2 поверхности раствора (табл. 1);

F – площадь зеркала ванны (раствора), м2;

Т – время работы оборудования, ч/год;

КВ – коэффициент поступления загрязняющего вещества в ат мосферу зависит от агрегатного состояния вещества (табл. 2). Для газов и паров КВ = 1. Для аэрозолей КВ опре деляется длиной воздуховода, по которому удаляется воз дух с загрязняющим аэрозолем [1].

Таблица Удельное количество некоторых загрязняющих веществ, выделяющихся с поверхности гальванических ванн при нанесении покрытий на изделия Количество Процесс Вещество г/(чм2) 1. Хромирование в растворах хромовой Хромовый 36, кислоты концентрацией 150…300 г/л ангидрид при силе тока I 1000 А 2. Осталивание в растворах соляной ки- Хлористый 1, слоты в концентрации до 200 г/л водород 3. Никелирование в хлоридных растворах Растворимые 0, при плотности тока 1…3 А/дм2 соли никеля Таблица Агрегатное состояние некоторых загрязняющих веществ в выбросах гальванических производств Вещество Агрегатное состояние 1. Хромовый ангидрид (CrO3) Аэрозоль 2. Серная кислота (H2SO4) Аэрозоль Газовая фаза не менее 75 % 3. Хлористый водород (HCl) Аэрозоль не более 25 % 4. Растворимые соли никеля Аэрозоль 5. Фосфорная кислота (H3PO4) Аэрозоль 6. Щелочь Аэрозоль Максимальный выброс загрязняющего вещества в атмосферу, г/с, определяется по формуле q F M.

Выброс загрязняющих веществ в атмосферу осуществляется мест ными вытяжными системами.

Сточные воды, образующиеся при нанесении гальванических по крытий, вносят существенный вклад в загрязнение окружающей сре ды, поскольку содержат в своем составе целый комплекс высокоток сичных соединений, включая соли тяжелых металлов. Попадая в ок ружающую среду, такие соединения взаимодействуют с другими ве ществами, в результате чего образуются еще более опасные соедине ния. В первую очередь это относится к ионам тяжелых металлов, ко торые обладают ярко выраженным эффектом суммации, а также спо собны включаться через цепь питания в круговорот элементов и кон центрироваться в микроорганизмах, растениях, животных и через них попадать в организм человека.

В настоящее время наибольшее распространение получили методы очистки с использованием химических реагентов, позволяющие пере вести токсичные соединения в менее токсичные или практически пол ностью вывести их из сточной воды в виде гидроксидов, сульфидов и других малорастворимых соединений. Однако реагентный метод, хотя и дает высокую степень очистки, имеет ряд недостатков: во-первых, необходимо утилизировать образующиеся осадки;

во-вторых, этот ме тод не позволяет вернуть в производство ценные компоненты. В по следнее время все большее значение приобретают регенерационные методы (например, обратный осмос). Они позволяют организовать во дооборотный цикл на предприятии, обеспечивают возврат в производ ство ценных ресурсов. Одними из перспективных методов очистки стоков является использование природных минеральных сорбентов (например, бетонитов), обладающих ионообменными свойствами.

Из-за многообразия гальванических процессов на предприятиях в настоящее время чаще всего сточные воды подвергают очистке объе диненным потоком, это делает практически невозможным извлечение металлов из образующихся шламов. Для более полной очистки необ ходимо разделять потоки на высококонцентрированные, образующие ся после ванн нанесения покрытий, и на потоки, содержащие меньшие количества ионов металлов – это стоки ванн промывки.

Предотвращение загрязнения водоемов сточными водами участ ков нанесения гальванических покрытий может быть осуществлено переходом на ресурсосберегающие технологические процессы и про изводства, а также создание замкнутых водооборотных циклов. Реше ние этой задачи возможно путем разработки новых технологий, полу чением новых материалов, способных эффективно извлекать их из сточных вод.

Список литературы 1. Дацко А. И. Ремонт и восстановление деталей топливных насо сов высокого давления судовых дизелей : учеб. пособие / А. И. Дацко, Г. К. Артемов, В. В. Лагоша. – Владивосток : Морской государствен ный университет, 2003. – 107 с.

2. Гриванова С. М. Нормирование вредных выбросов в атмосферу / С. М.. Гриванова С.М., И. Ю. Гриванов. – Владивосток : Изд-во Даль невост. ун-та, 2000. – 360 с.

3. Елизаветин М. А.. Технологические способы повышения долго вечности машин. Повышение эксплуатационных свойств и надежно сти работы деталей машин / М. А. Елизаветин, Э. А. Сатель. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1969. – 400 с.

4. Хмелевская В. Б. Повышение надежности судового оборудова ния технологическими методами. В 3 т. Т. 3. Восстановление и упроч нение деталей / В. Б. Хмелевская, Л. Б. Леонтьев. – Владивосток :

Морской государственный университет, Дальнаука, 2005. – 356 с.

УДК 629.5.083.5:621.791:061.5: А. В. Ходаковская ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЕЗКИ И СВАРКИ МЕТАЛЛОВ НА СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ И СУДОРЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Практически все современные технологические процессы и обо рудование, используемые в судостроении и судоремонте, являются источниками отрицательного воздействия на окружающую среду.

Процессы резки и сварки металлов не исключения, они являются ис точниками образования опасных и вредных факторов, способных ока зывать неблагоприятное воздействие на состояние окружающей сре ды, что в первую очередь сказывается на здоровье работников.

В судоремонте обработка металлов осуществляются посредством – дуговой и плазменной резки и сварки;

– лазерной резки и сварки;

– газовой резки и сварки;

– электроконтактной сварки;

– электрошлаковой сварки [2, 3].

Их применение приводит к появлению целого ряда опасностей, которые можно классифицировать следующим образом:

– твердые и газообразные токсические вещества в составе свароч ного аэрозоля;

– интенсивное излучение сварочной дуги в оптическом диапазоне (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное);

– интенсивное тепловое (инфракрасное) излучение свариваемых изделий и сварочной ванны;

– искры, брызги и выбросы расплавленного металла и шлака;

– электромагнитные поля;

– ультразвук;

– шум.

Кроме того, при зачистке швов после сварки нередко используют ся ручные пневматические инструменты, являющиеся источниками локальной вибрации, которая негативно сказывается, главным обра зом, на здоровье работников. Допустимые уровни производственной локальной вибрации от вспомогательного оборудования должны со ответствовать требованиям ГОСТ 12.1.012–90.

При выборе технологических процессов резки и сварки предпоч тение должно отдаваться тем, которые характеризуются наименьшим образованием опасных и вредных производственных факторов и, в первую очередь, минимальным выделением вредных веществ.

В настоящей работе предпринята попытка оценить технологиче ские процессы резки и сварки металлов, используемые в судостроении и судоремонте, с точки зрения их влияния на состояние окружающей среды.

Ведущими опасными и вредными производственными факторами являются твердые и газообразные токсические вещества, входящие в состав сварочного аэрозоля: фтористые соединения, оксиды углерода, азота, серы, озон, оксиды железа, марганца, хрома, титана, никеля, молибдена, меди, ванадия, вольфрама, алюминия, магния, кобальта, цинка и др. [1] При производстве сварочных работ под воздействием высоких температур и инфракрасного излучения интенсивно испаряются ком поненты покрытий, флюсов и металлы, которые, окисляясь и конден сируясь за пределами сварочной дуги, образуют субмикронные аэро дисперсные частицы, одновременно происходят термохимические превращения фторидов и кремнефторидов, восстановление углекисло го газа, неполное окисление органических связующих обмазок и пла стификаторов, при этом образуются фтороводород (HF), фторид кремния, (SiF4), угарный газ (СО). При резке и сварке металлов, по крытых консервантами, краской или загрязнениями технологического происхождения, в газовую фазу могут выделяться хлористый водород (HCI), хлор (СI2), фосген (COCI2), четыреххлористый углерод (ССI4), трихлорэтилен (ССI2=CHCI), сернистый и серный ангидриды (SO2, SO3), сероводород (H2S), фосфор (Р4), фосфорный ангидрид (Р5О5), фосфин (РН3) и другие токсичные соединения.

Раствор фтороводорода в воде называется плавиковой кислотой.

Пары фтороводорода, плавиковая кислота и все соли, которые она об разует, являются ядовитыми. Характерным свойством фтороводорода и плавиковой кислоты является их способность взаимодействовать с диоксидом кремния, в результате образуется газообразный фторид кремния:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2 H2O.

Полученный фторид кремния может взаимодействовать с фтори стым водородом, при этом получается гексафторокремневая кислота SiF4 + HF = H2SiF6, которая по силе близка к серной. Сама кислота, а также все ее со ли ядовиты.

СО – оксид углерода (II), или окись углерода, очень ядовит и осо бенно опасен тем, что не имеет запаха. Его ядовитое действие, извест ное под названием угара, объясняется тем, что СО легко соединяется с гемоглобином крови и делает его неспособным переносить кислород от легких к тканям. Окись углерода на свету непосредственно соеди няется с хлором, образуя чрезвычайно ядовитый газ фосген:

СО + Сl2 = COCl2.

Окись углерода соединяется со многими металлами, образуя кар бонилы металлов, например, крабонил железа – Fe(CO)5, или никеля – Ni(CO)4. Оба представляют собой летучие, весьма ядовитые вещества.

При высокой температуре углерод может непосредственно соеди няться с азотом, образуя бесцветный ядовитый газ диациан, молеку лярная масса которого соответствует формуле C2N2. Он образует со единение HCN, обладающее кислотными свойствами и получившее название циановодорода, или синильной кислоты. Синильная кислота – сильный яд, действующий смертельно даже в ничтожных дозах.

При температурах электрической дуги молекулярный азот окисля ется до оксида азота (II):

N2 +O2 = 2NO.

Оксид азота (II) легко окисляется кислородом воздуха до диоксида азота:

2NO + O2 = 2NO.

NO2 – ядовитый газ, его вдыхание вызывает сильное раздражение дыхательных путей и может привести к серьезному отравлению.

Как и все неорганические соединения кислотной природы, он лег ко вступает в реакцию с водой, образуя азотную и азотистую кислоты:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2.

Но поскольку азотистая кислота очень нестойкая и быстро разла гается 3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O, то практически взаимодействие диоксида азота с водой идет со гласно уравнению:

6NO2 + 2H2O = 4HNO3 + 2NO.

В присутствии воздуха оксид азота (II) немедленно окисляется в диоксид и в конечном итоге полностью переходит в азотную кислоту:

4NO2 + 2O2 + 2H2O = 4HNO3.

Обратимая реакция между хлором и водой приводит к образова нию соляной и хлорноватистой кислоты – очень сильного окислителя:

Сl2 + H2O HСl + HOCl.

При взаимодействии с водой оксидов серы образуются сернистая и серная кислоты:

SO2 + H2O = H2SO3, SO3 + H2O = H2SO4.

Интенсивное излучение способствует превращению кислорода воздуха в озон:

О2+h О•+ О•, О 2+ О • О 3.

При выполнении работ, связанных с использованием карбида кальция, как правило, загрязненного фосфидом кальция, образуется фосфористый водород, или фосфин, – бесцветный, очень ядовитый газ. При его горении образуются фосфорный ангидрид и вода:

2PH3 + 4O2 = P2O5 + 3H2O.

P2O5 – оксид фосфора (V), или фосфорный ангидрид, на воздухе притягивая влагу, быстро превращается в ядовитую метафосфорную кислоту:

P2O5 + H2O = 2НРО3.

Хром в качестве одного из важнейших компонентов входит в со став легированных сталей, используется для хромирования. Хром об разует три оксида: оксид хрома (II), или закись хрома (CrO), оксид хрома (III), или окись хрома (C2O3), и оксид хрома (VI), или хромовый ангидрид (CrO3);

последний является сильным окислителем и, произ водя окисление, превращается в окись хрома. При взаимодействии хромового ангидрида с водой образуются хромовая и двухромовая ки слоты, все соли которых ядовиты.

Марганец входит в состав легированных сталей и ряда сплавов, повышая их стойкость против коррозии. Окисляясь, он превращается в оксид марганца (IV) – MnO2.

Химический состав аэродисперсных частиц и газовой фазы зави сит от вида и режима технологического процесса резки и сварки, со става используемых сварочных материалов и свариваемого металла, а количество – от вида и режима технологического процесса резки и сварки.

Наибольшее выделение вредных веществ характерно для процесса ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Так, при расходе 1 кг электродов в процессе сварки образуется 40 г пыли, 2 г фтороводоро да, 1,5 г оксидов углерода и азота;

при сварке чугунов – до 45 г пыли и 1,9 г фтороводорода. При полуавтоматической и автоматической сварке (в защитной среде и без нее) общая масса выделяемых вредных веществ меньше в 1,5…2 раза, и при сварке под флюсом – в 4…6 раз.

В данном случае химический состав аэродисперсных частиц и газовой фазы зависит главным образом от состава используемых сварочных материалов (проволоки, покрытий, флюсов) и в меньшей степени от свариваемого металла. В состав сварочного аэрозоля входят соедине ния хрома, марганца, фториды и др.

Газовая и плазменная резка металлов сопровождается выделением пыли и вредных газов. Пыль представляет собой конденсат оксидов металлов, размер частиц которого не превышает 2 мкм. Химический состав пыли определяется главным образом маркой разрезаемого ма териала. При резке обычно выделяются токсичные соединения хрома и никеля, марганец, вредные газы – оксид углерода и оксиды азота, а при плазменной резке образуется еще и озон.

Для проведения резки и сварки металлов в судостроении и судоре монте используется также СО2-лазеры мощностью до 5…30 кВт. Ла зерная резка и сварка выгодно отличаются от остальных процессов – выделение веществ в данном случае минимальное.

Воздействие на организм твердых и газообразных токсических веществ в составе сварочного аэрозоля может явиться причиной хро нических и профессиональных заболеваний. Установлено, что соедине ния марганца, хрома и железа, входящие в состав сварочного аэрозоля, формируют более двух третей (68 %) случаев профессиональной патоло гии. Самой распространенной патологией является хроническая марганце вая интоксикация. Установлена высокая корреляция между концентрация ми марганца в воздухе рабочей зоны и концентрациями марганца в крови.

Причем с увеличением стажа увеличивается распространенность хрониче ской патологии.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны на рабочих местах должно соответствовать требованиям, указанным в ГОСТ 12.1.005–88. По степени воздействия на организм человека вред ные вещества, в соответствии с классификацией ГОСТ 12.1.007–76, разделены на четыре класса опасности см. таблицу.

Предельно допустимые концентрации ряда вредных веществ в воздухе рабочей зоны Класс ПДКраб. з., Наименование вещества мг/м опасности Водород фтористый (в пересчете на F-) 1. Вещества 0,5/0, чрезвычайно Кремния тетрафторид (в пересчете на F-) 0,5/0, опасные Озон 0, Фосфин 0, Хромовый ангидрид, хроматы, бихроматы 0, (в пересчете на CrO3) 2. Вещества вы- Азота оксиды (в пересчете на NO2) соко опасные Водород хлористый 5, Водород цианистый 0, Марганец в сварочных аэрозолях при его содержании до 20 %, 0, от 20 до 30 % 0, Тетрахлорметан 20, Фосген 0, Хлор 1, 3. Вещества уме- Оксид хрома (III) 1, ренно опасные 10, Трихлорэтилен 4. Вещества мало Оксид углерода (IV) опасные Все загрязняющие вещества, выделяющиеся при проведении резки и сварки, оказывают негативное влияние на окружающую среду. Это необходимо учитывать, тем более что большинство предприятий, ис пользующих эти технологические процессы, находятся в черте город ской застройки. К тому же сточные воды таких предприятий могут за грязняться механическими примесями, кислотами.

Интенсивность излучения сварочной дуги в оптическом диапазоне (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) и его спектральный состав зависят от мощности дуги, применяемых сварочных материа лов, защитных и плазмообразующих газов и т. п. При отсутствии за щиты возможно поражение органов зрения и кожных покровов. Для защиты глаз от лучей пламени применяют очки со светофильтрами из стекла Г-1, Г-2 или Г-3 в зависимости от мощности пламени. При вы полнении вспомогательных работ в сварочных цехах применяются очки со стеклами В-2 или Г-1.

Интенсивность теплового (инфракрасного) излучения сваривае мых изделий и сварочной ванны зависит от температуры предвари тельного подогрева изделий, их габаритов и конструкций, а также от температуры и размеров сварочной ванны. При отсутствии средств индивидуальной защиты воздействие теплового излучения может приводить к нарушениям терморегуляции вплоть до теплового удара.

Контакт с нагретым металлом может вызвать ожоги.

Искры, брызги и выбросы расплавленного металла и шлака могут явиться причиной ожогов.

Напряженность электромагнитных полей зависит от конструкции и мощности сварочного оборудования, конфигурации свариваемых изделий. Характер их влияния на организм определяется интенсивно стью и длительностью воздействия. Допустимая плотность потока энергии электромагнитного излучения оптического диапазона (ульт рафиолетового, видимого, инфракрасного) на рабочих местах должна соответствовать требованиям, установленным соответствующими нормативными правовыми актами.

Источником ультразвука могут являться плазмотроны, ультразву ковые генераторы, электроды и др. Действие ультразвука зависит от его спектральной характеристики, интенсивности и длительности воз действия. Допустимые уровни ультразвука на рабочем месте операто ра и в сварочных цехах в течение восьмичасового рабочего дня долж ны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.001–89.

Источниками шума являются пневмоприводы, вентиляторы, плаз мотроны, источники питания и др. Воздействие шума на организм за висит от спектральной характеристики и уровня звукового давления.

Допустимые уровни звукового давления и эквивалентные уровни ши рокополосного шума на рабочем месте должны отвечать требованиям ГОСТ 12.1.003–83. Само сварочное оборудование не является интен сивным источником шума. Основной источник шума – технологиче ское оборудование в цехах.

Наиболее эффективное снижение вредного влияния производственных факторов на состояние окружающей среды и на организм работников мо жет быть достигнуто путем выбора тех технологических процессов резки и сварки, которые характеризуются наиболее низким уровнем образования вредных факторов. С этой точки зрения лазерные технологии имеют очевидные преимущества.

Во-первых, при ее применении выделение вредных веществ мини мально.

Во-вторых, она предоставляет большие возможности для автоматиза ции, как известно, автоматизация процессов сварки и резки металла позво ляет дополнительно сократить выделение вредных веществ.

В-третьих, дает более высокое качество среза в сочетании с отсут ствием зоны теплового влияния и минимальной деформацией листа, что обеспечивает точность пригонки и фактически устраняет необхо димость в последующей механической обработке корпусных деталей в корпусно-заготовительных цехах, при этом снижается уровень шума в цехе, что способствует улучшению условий труда.

Следовательно, если принимать во внимание влияние технологиче ского процесса на состояние окружающей среды, предпочтение должно отдаваться лазерной резке и сварке металлов, тем более, что по произ водительности, качеству, простоте использования и автоматизации ла зерная резка и сварка превосходит другие виды резки и сварки.

Список литературы 1. Гриванова С. М. Нормирование вредных выбросов в атмосферу / C. М. Гриванова, И. Ю. Гриванов. – Владивосток : Изд-во Дальневост.

ун-та, 2000. – 360 с.

2. Справочник по сварке, пайке, склейке и резке металлов и пла стмасс : пер. с нем. / Под ред. А. Ноймана, Е. Рихтера. – М. : Метал лургия, 1980. – 464 с.

3. Хмелевская В. Б. Повышение надежности судового оборудова ния технологическими методами. В 3 т. Т. 3. Восстановление и упроч нение деталей / В. Б. Хмелевская, Л. Б. Леонтьев. – Владивосток :

Морской государственный университет ;

Дальнаука, 2005. – 356 с.

УДК 629.5.083.5.002.8:621.357: Л. Ю. Фирсова, А. М. Нугманов О ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЛЬВАНОШЛАМОВ С ЦЕЛЬЮ ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ИХ ОПАСНОСТИ В практике судоремонта, при очистке деталей двигателей и друго го оборудования, восстановлении защитных и защитно-декоративных покрытий а также размеров подвергающихся истиранию при эксплуа тации частей механизмов, широко используются различные гальвани ческие процессы.

Как правило, сточные воды гальванического производства подвер гаются обработке на станциях нейтрализации, в результате чего в ка честве конечных продуктов образуется смесь осадков гидроксидов металлов (гальваношламов). При длительном хранении таких осадков в условиях вероятного контакта с природными водами и почвенными микроорганизмами возможно их взаимодействие с атмосферными ки слотными осадками либо органическими кислотами – продуктами ме таболизма почвенной микрофлоры. В этих случаях результатом будет появление растворимых соединений тяжелых металлов и вторичное загрязнение среды обитания.

Переработка отходов гальванического производства может пре следовать цель последующей утилизации или же связана с переводом их в нетоксичные продукты. Одним из путей превращения гальвани ческих отходов в нетоксичные соединения может быть сульфидная обработка, когда конечные твердые продукты представляют собой сульфиды тяжелых металлов, стабильные в условиях воздействия природных факторов.

Сульфидная технология в очистке производственных сточных вод от ионов тяжелых металлов применяется давно и используется как за рубежом [4–6], так и в России [1]. Достоверных сведений об исполь зовании приема сульфидизации для обработки твердых продуктов нейтрализации сточных вод гальванических производств нет.

Теоретическое обоснование возможности осуществления техноло гии обезвреживания гальваношламов путем перевода их в сульфиды может быть получено путем проведения термодинамических расчетов процессов, лежащих в основе метода.

Термодинамические расчеты 1. Исходные данные и расчетные формулы Возможность протекания реакции перевода гидроксидов в сульфиды Me(OH)2 + Na2S + H2SO4 MeS + Na2SO4 + 2H2O (1) определяется изменением свободной энергии Gso,298, которая рассчи тывается как разность сумм свободных энергий образования G o, f продуктов реакции и исходных веществ:

Gso,298 i G o,i j G o, j. (2) f f прод исх i j В свою очередь, изменение свободной энергии равновесной реакции MeS Me 2 S (3) связано с произведением растворимости ПР:

Gso,298 RT ln ПР. (4) Исходя из формулы (4), используя табличные значения Gso,298, можно рассчитать величины произведения растворимости:

Gso, ПР exp, (5) RT где T – температура, К (T = 298,15К);

R – газовая постоянная, Джмоль–1К–1 (R = 8,314 Джмоль–1К–1).

Значения G o,298 для формулы типа (2) могут быть определены из f значений энтальпий H o,298 и энтропий S 298 образования химических o f соединений из простых веществ:

G o,298 H o,298 T S298, o (6) f f где H o,298 – энтальпия образования химического соединения, f – кДжмоль ;

–1 – S298 – изменение энтропии, Джмоль К ;

o T – температура, К.

o При этом изменение энтропии S298 определяется как разность абсолютных энтропий продуктов и исходных веществ:

S 298 i Si,298 j S j,298.

o (7) i j Для любой химической реакции может быть также рассчитан ее тепловой эффект как равный по абсолютной величине и обратный по знаку разности изменения энтальпий образования продуктов и исход ных веществ:

Q H so,298 i H o,i j H o, j. (8) f f i j Исходные данные в виде значений энтропий простых веществ, а также энтальпий и энтропий образования сульфидов MeS представле ны в табл.1 и 2:

Таблица Энтропии образования простых веществ [2] Химические S S Cu Zn Ni Cd элементы (ромб.) (мон.) Энтропии образования, 33,2 41,6 29,9 51,8 31,9 32, o S 298 ;

Джмоль–1К– Таблица Энтальпии и энтропии образования сульфидов [2] Энтальпия Энтропия, образования, *) Состояние Сульфиды o – S 298 ;

Джмоль H o,298 ;

кДжмоль– f кр.

CuS -53,1 66, кр. (куб) ZnS -205 57, NiS -79 53, кр. (гекс., ) CdS -157 71, кр. (гекс.) *) Примечание: кр. – кристаллический, куб – кубический, гекс. - гексаго нальный.

2. Расчет реакций Me + S MeS Для расчетов используем формулы (6) и (7):

1) Cu (кр.) + S (ромб) CuS (кр.) 33,2 31,9 o S – – –53, H o, f ----------- S298 = 66 – (33,2 + 31,9) = 0,9 Джмоль–1К–1;

o G o,298 = –53,1 – 298,150,910-3 = –53,4 кДжмоль-1.

f 2) Zn (кр.) + S (ромб) ZnS (кр.) 41,6 31,9 57, o S – – – H o, f ----------- S298 = 57,7 – (41,6 + 31,9) = –15,8 Джмоль–1К–1;

o G o,298 = –205 + 298,1515,810-3 = –200,3 кДжмоль–1.

f 3) Ni (кр.) + S (ромб) NiS (кр.) 29,9 31,9 53, o S – – – o H f, ----------- S298 = 53,0 – (29,9 + 31,9) = –8,8 Джмоль–1К–1;

o G o,298 = –79 + 298,158,810–3 = –76,4 кДжмоль–1.

f 4) Cd (кр.) + S (ромб) CdS (кр.) 51,8 31,9 o S – – – H o, f ----------- S298 = 71 – (51,8 + 31,9) = –12,7 Джмоль–1К–1;

o G o,298 = –157 + 298,1512,710–3 = –153,2 кДжмоль–1.

f 2 3. Расчет равновесий MeS Me S Исходные данные для расчетов представлены в табл.3.

Таблица G o,298, G o,298, f f Ионы Сульфиды кДжмоль–1 [2] кДжмоль–1 [3, с.89-91] Cu2+ +65, CuS –53, Zn2+ –147, ZnS –200, Ni2+ –45, NiS –76, Cd2+ –77, CdS –153, S2- +85, Cu2+ S2– 1) + CuS –53,4 +65,6 +85, G o, f Gso,298 = (65,6 + 85,4) – (–53,4) = 204,4 кДжмоль–1;

ПР = e-82,46 = 1,510–36;

Zn2+ S2– 2) + ZnS G o,298 –200,3 –147,2 +85, f Gso,298 = (–147,2 + 85,4) + 200,3) = 138,5 кДжмоль–1;

ПР = e-55,87 = 5,410–25;

Ni2+ S2– 3) + NiS G o,298 –76,4 –45,6 +85, f – G so,298 = –45,6 + 85,4 + 76,4 = 115,2 кДжмоль ;

ПР = e-46,47 = 6,610–21;

Cd2+ + S2– 4) CdS G o,298 –153,2 –77,6 +85, f Gso,298 = –77,6 + 85,4 + 153,2 = 161,0 кДжмоль–1;

ПР = e-64,95 = 6,210–29.

4. Расчет теплового эффекта реакций Me(OH)2 + Na2S + H2SO4 MeS + Na2SO4 + 2H2O Исходные данные представлены в табл.4.

Таблица Значения энтальпий образования исходных веществ и продуктов [2] o o – H f,298, – H f,298, Вещество Вещество кДжмоль–1 кДжмоль– Na2S (кр.) Cu(OH)2(кр.) 444,3 H2SO4 (ж) Zn(OH)2 (кр.) 645,4 814, Ni(OH)2 (кр.) 543 1389, Na2SO4 (кр., ромб., -) Cd(OH)2 (кр.) 561 285, H2O (ж) 1) Cu(OH)2 + Na2S + H2SO4 CuS + Na2SO4 + 2H2O 444,3 359 814,2 53,1 1389, o – H f,298 2285, ---------------- H so,298 = (–53,1 – 1389,5 – 2285,8) – (–444,3 – 359 – 814,2) = = –2014,2 + 1617,5 = –396,7 кДжмоль– 2) Zn(OH)2 + Na2S + H2SO4 ZnS + Na2SO4 + 2H2O 645,4 359 814,2 205 1389, o – H f,298 2285, ---------------- H so,298 = –(205 + 1389,5 + 2285,8) + (645,4 + 359 + 814,2) = = –2166,1 + 1818,6 = –347,5 кДжмоль– 3) Ni(OH)2 + Na2S + H2SO4 NiS + Na2SO4 + 2H2O 543 359 814,2 79 1389, o – H f,298 2285, ---------------- H so,298 = –(79 + 1389,5 + 2285,8) + (543 + 359 + 814,2) = = -2040,1 + 1716,2 = -323,9 кДжмоль– 4) Cd(OH)2 + Na2S + H2SO4 CdS + Na2SO4 + 2H2O 561 359 814,2 157 1389, o – H f,298 2285, ---------------- H so,298 = –(157 + 1389,5 + 2285,8) + (561 + 359 + 814,2) = = –2118,1 + 1734,2 = –383,9 кДжмоль–1.

5. Расчет суммарного теплового эффекта реакции переработки гальваношламов в сульфиды Тепловой Масса сульфида, Молекулярная эффект;

Сульфид получающегося из масса сульфида 1 т гальваношлама, кг -Q10–3, кДж CuS 95,61 20,8 86, ZnS 95,44 21,1 76, NiS 90,76 7,6 27, CdS 144,47 3,1 8, Суммарное тепловыделение составляет:

Qобщ = (86,3 + 76,8 + 27,1 + 8,2)103 = 198,4103 кДж.

Такое тепловыделение приведет к повышению температуры реак ционной смеси на 198,4 103 кДж Q = 9,5o.

T c m 4,18 кДж 5 103 кг кг град Приведенные расчеты показывают, что процесс превращения гид роксидов тяжелых металлов в сульфиды является энергетически вы годным и может быть положен в основу технологии обезвреживания гальваношламов.

Список литературы 1. Белевцев А. Н. Проблемы глубокой очистки сточных вод от со единений тяжелых металлов и пути их решения / А. Н. Белевцев, В. И. Жаворонкова, Н. Н. Мельникова // Очистка сточных вод : сб. на учн. трудов / НИИ ВОДГЕО. - М., 2004. – Вып. 7. – С. 69–77.

2. Ефимов А. И. Свойства неорганических соединений : cправоч ник / А. И. Ефимов и др. – Л.: Химия, 1983. – 392с.

3. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред.

А. А. Равделя, А. М. Пономаревой. – 8-е изд., перераб. – Л. : Химия, 1983. – 232 с.

4. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии / Ю. Ю. Лу рье. – 6-е изд., перераб. и доп. – М. : Химия, 1989. – 448 с.

5. Bhattacharyya D. Separation of Toxic Heavy Metals by Sulfide Pre cipitation / D. Bhattacharyya, A. B. Jumawan, Jr., R. B. Grieves // Separa tion Sci. and Technol. – 1979. – 14 (5), P. 441–452.

6. Bhattacharyya, D. Precipitation of Heavy Metals With Sodium Sul fide: Bench-Scale and Full-Scale Experimental Results / D.Bhattacharyya, A.B.Jumawan, G.Sun, C.Sund-Hagelberg, K.Schwitzgebel // AICHE Sym pos.Series, Water-1980. – 1981. – Vol. 77, N 209. – P. 31–38.

7. Peters R. W. Evaluation of Recent Treatment Techniques for Re moval of Heavy Metals from Industrial Wasterwaters / R. W. Peters, Y. Ku, D. Bhattacharyya // AIChE Symp.Ser. – 1985. – Vol. 81, N. 243. – P. 165–203.

УДК 621.892. 096.1. Г. А. Гаук СНИЖЕНИЕ УГАРА МОТОРНОГО МАСЛА И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ СУДОВЫХ ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ Снижение эксплуатационного расхода моторного масла (ММ) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) следует считать перспектив ным решением части общей проблемы экономии топливно энергетических ресурсов на флоте. Проведенный анализ угара ММ в судовых ДВС показал, что значительное влияние на него оказывают конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы: кон струкция поршневых колец и поршня, величина зазоров в сопряжени ях деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), степень приработки и материалы деталей движения, параметры системы смазки (СС) и ра бочего процесса, конструкция клапанного механизма и уплотнений турбокомпрессора.

Как известно [1, 2], расход масла на угар за счет его испарения в большой степени зависит от толщины масляной пленки. Последняя во многом определяется упругостью, конструкцией и числом масло съемных колец. Наибольшего успеха в снижении расхода масла на угар достигли при оптимизации комплекта поршневых колец за счет уменьшения их количества и повышения маслосъемного действия.

Исследованы маслосъемные свойства торсионных (скручивающих ся), минутных (с конической боковой поверхностью) и коробчатых с экспандером колец (см. рисунок).

В целом ряде работ убедительно показано, что посредством со вершенствования этих деталей можно получить весьма ощутимые ре зультаты [3]. В целях снижения расхода масла на угар были разрабо таны и испытаны маслосъемные кольца коробчатого и скребкового типов различной упругости. Повышение упругости маслосъемного кольца достигалось за счет применения специальных расширителей (пружинных и пластинчатых). Упругость колец замерялась согласно ГОСТ 7295–76, в результате чего определялось среднее давление коль ца на стенку цилиндра р. Сжатие кольца осуществлялось с помощью стальной проволоки. Исследование влияния упругости маслосъемных колец на расход масла и срок его службы проводилось в дизеле Ре = кВт дизель 2Ч 9,5/10 при работе на топливе по ГОСТ 305–82 и масле М-10В2 по ГОСТ 12337–84 на следующих режимах нагрузки: холо стой ход, 25, 50, 75, 100, 110 %. Работа на режиме 110 % нагрузки проводилась в течение 1 ч после 9 ч работы на режиме 100 %. Долив масла в картер дизеля, осуществлялся через каждые 25 ч, а пробы масла на физико-химический анализ отбирались через 100 ч.

В процессе проведения исследований были испытаны следующие ва рианты:

1. Маслосъемное кольцо коробчатого типа без расширителя (ис ходный вариант) (р = 0,206 МПа, продолжительность испытания 500 ч).

2. Маслосъемное кольцо коробчатого типа с пружинным расши рителем (р = 0,589 МПа, продолжительность испытания 800 ч).

3. Два маслосъемных кольца скребкового типа (в одной поршне вой канавке) с пластинчатым расширителем (р = 0,550 МПа, продол жительность испытания 100 ч).

4. Два маслосъемных кольца скребкового типа (в одной поршневой канавке) без расширителя (р = 0,275 МПа, продолжительность испыта ния 100 ч).


5. Маслосъемное кольцо коробчатого типа с пластинчатым рас ширителем (р = 0,569 МПа, продолжительность испытания 100 ч).

Результаты сравнительных испытаний первых двух вариантов представлены в табл. 1. Как видно, при работе дизеля 2Ч 9,5/10 с мас лосъемными кольцами коробчатого типа без расширителя расход мас ла на угар возрастал от этапа к этапу и через 500 ч составил 8,16 г/(кВтч) против 4,21 г/(кВтч) в начале испытаний (через 100 ч).

При работе этого дизеля с маслосъемными кольцами коробчатого типа и пружинными расширителями расход масла на угар с увели чением наработки дизеля до 800 ч без смены масла не только не воз рос, но даже снизился в два раза (если за первые 100 ч расход масла на угар составил 1,62 г/(кВтч), то за последние 100 ч – 0,8 г/(кВтч)).

Следовательно, повышение упругости маслосъемных колец за счет применения пружинных расширителей позволяет снизить величину угара gу приблизительно в пять раз.

Применение пружинного расширителя улучшает и физико-хими ческие свойства масла: снижается скорость поступления загрязне ний в масло в семь раз (табл. 1);

уменьшается количество нераство римых в бензине (НРБ) примесей в два раза;

вязкость масла остает ся на прежнем уровне;

сокращается количество отложений на сред ствах очистки масла в два раза, а коэффициент фильтрации (общий) уменьшается более чем в 1,6 раза (однако это не означает ухудше ния очистки масла, а является лишь следствием низкой скорости его загрязнения).

Результаты спектрального анализа показали, что скорость изна шивания деталей дизеля при его работе с маслосъемными кольцами повышенной упругости снижается в два – три раза (табл. 1).

После 500 ч начинается более интенсивное срабатывание присад ки: резко снижается щелочное число (ЩЧ), а также происходит нако пление в масле органических и сильных кислот, растет кислотное число (КЧ) и снижается потенциал (водородный показатель рН), ха рактеризующий активность кислых продуктов. Это может привести к повышенным лакообразованиям, что и было замечено после 800 ч ра боты дизеля: частично забиты дренажные отверстия на поршне.

По окончании 800 ч испытаний были произведены обмеры деталей ЦПГ. По результатам замеров значительных износов не установлено:

– зазор в замке колец возрос на 5 мм, что не превышает увеличения зазора в замке поршневых колец серийных дизелей за 1000 ч работы (0,5…1,0 мм);

– износа гильз цилиндров не наблюдалось;

– износ поршневых канавок маслосъемного кольца первого ци линдра и третьего компрессионного кольца второго цилиндра соста вил по 0,1 мм (износа других канавок не наблюдалось).

Таблица Результаты испытаний маслосъемных колец Показатели Параметры без расширителя с расширителем (500 ч) (800 ч) Скорость поступления загрязне 0,299 0, ния, г/(кВтч) Количество отложений на сред ствах очистки, кг:

на центрифуге 0,420 0, на фильтре тонкой очистки 0,180 0, Коэффициент очистки, %:

общий 50 30, центрифуги 39,5 22, фильтра тонкой очистки 10,5 7, После завершения исследований первых двух вариантов на дизе ле 2Ч 9,5/10 были испытаны маслосъемные кольца коробчатого и скребкового типов с пружинными и пластинчатыми расширителями.

Продолжительность испытаний на каждом этапе составляла 100 ч.

Оценка физико-химических свойств масла не проводилась. Опреде лялся лишь только удельный расход масла на угар (табл. 2). Как видно, минимальный удельный расход масла на угар достигается при работе дизеля с маслосъемными кольцами коробчатого типа и пружинными расширителями (1,12 г/(кВтч)). Применение пластин чатого расширителя по сравнению с пружинным приводит к возрас танию величины gу с 1,12 до 2,28 г/(кВтч), коробчатого типа с двумя скребковыми в одной поршневой канавке (расход масла на угар 5,7 и 6 г/(кВтч)).

Из вышеприведенного следует, что наиболее эффективным средст вом снижения удельного расхода масла на угар gу в дизелях типа Ч 9,5/10 является применение маслосъемного кольца коробчатого типа с пружинным расширителем, что позволяет снизить величину gу с 5, до 1,12 г/(кВтч), т. е. почти в пять раз. При этом среднее давление кольца на стенку цилиндра возросло с 0,206 до 0,589 МПа. Данное уве личение давления, осуществляемое путем установки пружинного рас ширителя, улучшает и физико-химические свойства масла. В семь раз снижается скорость поступления загрязнений в масло. В два раза уменьшается количество отложений на средствах очистки масла. Во столько же сокращается концентрация НРБ примесей. Замена на дизе лях типа Ч 9,5/10 маслосъемных колец коробчатого типа на скребковые и пружинных расширителей на пластинчатые не дает положительного эффекта.

Таблица Средние величины расхода масла на угар при использовании различных типов маслосъемных колец Средний удельный Продолжи расход масла на Исследуемый вариант тельность угар за 10 ч рабо этапа, ч ты, г/(кВтч) Маслосъемные кольца коробчатого 500 5, типа без расширителей Маслосъемные кольца коробчатого 800 1, типа с пружинными расширителями Маслосъемные кольца коробчатого 100 2, типа с пластинчатыми расширителями Два маслосъемных кольца скребково го типа (в одной поршневой канавке) 100 без расширителя Два маслосъемных кольца скребково го типа (в одной поршневой канавке) с 100 5, пластинчатым расширителем Не меньшее влияние на расход смазочного масла оказывает увели чение влияния числа маслосъемных колец на поршне. Дизели КДМ46, Д54 с двумя – тремя кольцами на каждом поршне потребляют смазочно го масла в 2…3 раза меньше чем с одним маслосъемным кольцом.

Проведенный анализ влияния различных конструктивных факто ров на угар масла убедительно показывает, что величина gу должна существенно определяться техническим состоянием деталей ЦПГ. На самом деле, от износа этих деталей зависит упругость и величина стыкового зазора, зазор между поршневыми кольцами и канавками, зазор между поршнем и втулкой и т. д. А эти величины, как было по казано выше, значительно влияют на угар масла. Заметная взаимо связь величины gу и технического состояния двигателя установлена в работах [4]. На этом принципе построен один из методов диагностики технического состояния деталей ЦПГ.

Метод сокращения угара масла посредством уменьшения толщины масляной пленки имеет ограничение. Так, при достижении определен ных минимальных значений угара заметно ухудшается работа трущих ся поверхностей, что вызывает падение мощности двигателя и увели чение износа деталей ЦПГ. В связи с этим в последнее время стало уделяться серьезное внимание вопросам технико-экономической оцен ки оптимального расхода масла на угар.

Заметное уменьшение угара масла может быть получено посред ствам различных конструктивных и технологических решений, все они связаны с уменьшением толщины масляной пленки, определяю щей расход масла.

Список литературы 1. Бурштейн Л. М. Расход масла на испарение со стенки цилиндра в двигателе внутреннего сгорания / Л. М. Бурштейн // Химия и техно логия топлив и масел. – 1983. – № 2. – С. 21–22.

2. Лебедев Б. О. Анализ процесса испарения масляной пленки со стенки цилиндра дизеля / Б. О. Лебедев, Ф. Н. Селиванов // Двигателе строение. – 1981. – № 1. – С. 22–24.

3. Фомченков А. И. Исследование влияния упругости маслосъемных колец на расход масла на угар и срок его службы / А. И. Фомченков, Л. М. Моисейченко, В. В. Корнилов // Двигателестроение. – 1980. – № 7.

– С. 21–22.

4. Двойрис Л. И. Исследование факторов, влияющих на расход и старение моторных масел / Л. И. Двойрис, В. К. Бондарев, Л. М. Гин дин // МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского. – М., 1979 – С. 47–54.

УДК 621.892.096:629. Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ТОПЛИВ И МОТОРНЫХ МАСЕЛ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ОТЛОЖЕНИЙ В ПОРАХ ФИЛЬТРОВАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ЗАГРЯЗНЕНИЙ Предлагаемая модель фильтрования позволяет создать маслоочи стители с высокой пропускной способностью и большим сроком службы фильтрующих элементов (ФЭ), выбирать наиболее рацио нальный для конкретных условий работы фильтровальный материал (ФМ) и определять пути совершенствования фильтров.

Осуществлено моделирование процесса фильтрования горюче смазочных материалов, применяемых в ДВС, через полипоровые структуры. Описана кинетика очистки моторного масла от загрязне ний сложного дисперсного состава с учетом зарастания и блокировки пор фильтровального материала отложениями. Учтено изменение со става дисперсной фазы по ходу потока в многослойной фильтроваль ной структуре. Показаны пути управления процессом фильтрования для достижения требуемой эффективности очистки и высокой грязе ёмкости фильтрующих элементов.

Особенностью разработанных кинетических моделей фильтрова ния является учёт зарастания пор отложениями и влияния его на отсев частиц дисперсной фазы (ДФ). Влияние переменной поровой структу ры ФМ на отфильтровывание нерастворимых примесей рассмотрено путем использования начального и текущего распределения пор по размерам, идентификации зарастания и блокировки пор разных раз мерных групп с учетом особенностей их взаимодействия с загрязни телем.

Рассмотрение кинетики фильтрования через изменение поровой структуры материала позволяет получить универсальные зависимости для расчета эффективности процесса очистки горюче-смазочных ма териалов от любых нерастворимых загрязнителей при использовании поровых структур с разной начальной полнотой отсева. Достоинством предлагаемого подхода является возможность расчета задерживаю щей способности ФМ через исходную структуру с корректировкой её параметров масштаба и формы распределения пор по размерам по ме ре накопления отложений в них с учётом изменения дисперсного со става и концентрации загрязнителя на входе в фильтр.

Сложность моделирования процесса нестационарного фильтрова ния заключается в выявлении закономерностей изменения поровой структуры ФМ по мере накопления отложений. Для капиллярной мо дели изменение диаметра D капилляра вследствие послойного зарас тания его отложениями пропорционально интенсивности отсева и может быть определено через долю отложений, накапливающихся внутри поры:


pф D 4 d d 2 3 d d d d q D dD ;

(1) 4 4 128 м hф D D D (2) g D qD dD мc;

2g D ф D, (3) hф 1 ф ф где qDdD – фракционная интенсивность очистки ММ фильтрова нием через поры размером D;

–перепад давления ММ на ФЭ;

рф –динамическая вязкость масла;

м hф –толщина ФМ;

–безразмерная координата отсева;

d d –диаметр частиц нерастворимой фазы;

gD накопление отложений в порах диаметром D;

– –плотность масла;

м c –массовая концентрация общих нерастворимых продук тов (НРП) в масле;

– продолжительность фильтрования;

ф – отношение массы отложений фильтровальной перего родки (ФП) к количеству содержащихся в них НРП;

ф – доля осаждающихся на поверхности ФМ загрязнений;

ф – плотность отложений ФП.

Использование зависимостей (1)–(3) позволяет получить выраже ние для расчета относительного зарастания пор отложениями D D при отфильтровывании монодисперсного загрязнителя:

pф d d 2 ф м c D a Dd, (4) 16 м hф 1 ф ф d d 2 D 1 d d D 2D где aDd – относительная скорость уменьшения площади поперечного сечения пор диаметром D при отфильтровывании мелкодисперсных загрязнений.

Как видно из (4), относительное уменьшение диаметра капилляра зависит от соотношения между размерами частиц ДФ и пор. При от фильтровывании монодисперсной фазы загрязнений с частицами ма лого размера, когда D/d 6, уменьшение диаметра пор не зависит от соотношения между размерами капилляра и частиц:

D a Dd. (5) D При очистке масла от тонкодисперсного загрязнителя широкого фракционного состава изменение размера D допустимо определять через средний диаметр md частиц отфильтровываемой ДФ (d = 1):

D a Dm 3md 2m D 1, (6) 2 2 D D D pф md ф м c где a Dm.

2 м hф 1 ф ф При D/D 1/4 относительное изменение диаметра капилляра не обходимо рассчитывать для мелко- и крупнодисперсных загрязните лей соответственно по формулам:

D 1 1 a Dm ;

(7) D 3m 1 d 2 md a.

D (8) 1 1 Dm 2 D D D Формулы (7) и (8) справедливы для систем с mD/md 6 и d/md 1.

Использование их для пор, у которых D/Dmd соответственно меньше 5, дает большую погрешность расчета D/D. При изменении D/D в широких пределах необходима коррекция скорости зарастания пор aDm путем умножения на (D/D)2.

При разбивке периода фильтрования на циклы продолжитель ностью i, получим выражение для относительной скорости зараста ния поперечного сечения пор диаметром Di-1 на i-м цикле фильтрова ния ММ с мелкодисперсным загрязнителем:

pфi 1md i 1 ф м ci a Dmi. (9) 2 м hфi 1 1 фi 1 ф Если скорость aDm переменна, то относительное уменьшение пло D n щади капилляра D за n циклов равно g Dn a Dmi i 1 i.

D i 1 При отфильтровывании полидисперсного загрязнителя с перемен ным по времени составом, уменьшение диаметра поры на n-м цикле фильтрования определяется по формуле n 3md i 1 2md i 1 Di2 D 1 1 1 2 a Dmi i.

(10) D n 2 Di i 1 Di 1 D Зависимости (9) и (10) могут использоваться при переменных концентрации и дисперсном составе загрязнителя, однако возможно сти их, как и (7) и (8), ограничены в области малых D. При интеграль ной оценке ф относительное уменьшение диаметра пор вследствие зарастания их отложениями за n циклов фильтрования без ограниче ния D рекомендуется находить по выражению n pф Di2 1m d i 1фмci 1i 3md i D Di 1 1 1 erf i 1 2м D фi 1 1 фi 1 ф 2h D n 2 Di 1 2md i 2 2md i 1 D 2 2md i 1 Di2 i 1 exp. (11) 4md i Di2 1 Di2 1 8md i Выражение под знаком суммы при i характеризует относитель ную приведенную скорость зарастания пор диаметром D на i-м цикле фильтрования. Она равна произведению aDmi на коэффициент (Di–1/D)2, учитывающий приведение интенсивности зарастания поры относи тельно текущего к исходному диаметру. Сомножитель в квадратных скобках определяет влияние размеров частиц загрязнителя и пор на их закупорку.

Зависимости (8)–(11) учитывают изменение дисперсного состава загрязнителя на входе в пору. Крупные частицы в большей мере под вержены инерционному отсеву, и доля их в слое осадка на поверхности ФМ выше. Поэтому aDm необходимо рассчитывать по схеме последова тельного действия основных механизмов задержки частиц, приводящих к образованию осадка и закупорке пор. В условиях фильтрования сус пензий с ДФ переменного по времени состава, заданного любым зако ном распределения, высокая точность расчета D/D обеспечивается при использовании формулы n p Di1 2d d d d d d 1 фi 1Di 1фмci 1i D Di 1 1 Di 1 2Di 1 1 D n 32м D hфi 1ф i 1 16 Di 1 d d 2 d d d d 1 Di Fi 1 d dd 1 1 1 Di 1 2 Di 1 Di 1 2Di 1 2 d max 1 D i 1 Fi 1 d dd. (12) Di Специфика зависимости (12) дает возможность учесть влияние дис персного состава загрязнителя на формирование осадка на поверхности ФМ и в порах.

Если поры заполнены отложениями по площади поперечного се чения меньше чем на четверть, относительное уменьшение их диамет ра можно определить по упрощенному выражению:

pф i1 Di4 1фмci 1i Di1 d d 2 d d 3 1 d d n D 1 фi 1 ф D n i 116мD2h Di 1 Di 1 4 Di фi 1 d max Fi 1 d dd Fi 1 d dd. (13) D i Реализация зависимостей (4)–(13) возможна при раскрытии функ циональных выражений для i, hi, pi. Первый из показателей ха рактеризует баланс отложений на поверхности и внутри ФМ. Его зна чение находится по данным статистической обработки большого чис ла фильтровальных экспериментов:

0, 0,42 mdi Re 0,08, фi Bф 1 mi (14) m mi Di где Bф = 0,3 – 2,5 – константа, характеризующая совершенство по ровой структуры ФМ;

Remi – число Рейнольдса на i-ом цикле фильтрования при течении суспензии через поры среднего размера.

Зависимость (14) подтверждена также результатами активного эксперимента, планирование которого осуществляли в соответствии с общепринятыми рекомендациями.

Текущая просветность mi загрязненного отложениями ФМ опре деляется через начальную m0 или предыдущего цикла фильтрования m(i–1) по выражению mi m0 1 g mDi mi 1 1 amDi i. (15) Толщина ФМ вместе с отложениями в конце i-го цикла фильтро вания равна:

hф 0 hфi. (16) hфi i 1 m0 g mDi фi i 1 mi 1a mDi i 1 1 mi 1 mi Просветность mi ФМ и толщину hфi с учетом отложений следует находить в конце цикла фильтрования по зарастанию пор, размеры которых устанавливаются по нормированной функции распределения fi (D) через математическое ожидание.

Эксплуатационные характеристики pфi и qфi ФП рассчитывали через начальную и текущую нормированную функции распределения поровой структуры Dmax 4 f D dD hфi N n 0 D 0 (17) pфi pф 0 ;

D max 4 f D dD hф 0 N ni D i D max 4 f D dD h 0 N ni D i, (18) qф i qф D max 4 f D dD hф i N n 0 D где Nn – число пор на единицу поверхности ФМ;

f(D) – дифференциальная функция распределения пор ФМ по размерам.

Переход от начального распределения пор к текущему осуществ ляли через соотношение:

D D (19) f D f 0 f0.

1 D D D, p ф, c, hф, ф, D D Для полнопоточного фильтрования ММ в силу постоянства скоро сти фильтрации при средних за срок службы ФЭ значениях pф, mD, ф, и hф допустимо принять a D = const. По (7) и (19) для распределения Вейбулла текущая характеристика поровой структуры ФМ имеет вид:

p D D p D 1 pD D exp.

f D (20) b 1 a D p D 1 D p 1 a D bD D Нормирование функции f(D) приводит к закону распределения (по диаметру):

D pD p D 1 pD D f D exp, (21) bD p D bD где параметр масштаба bD равен bD 1 a D 1 2.

При фильтровании масла, загрязненного крупнодисперсной фазой, изменение поровой структуры ФМ и ее размерная характеристика, ес ли в начальном состоянии она подчинена распределению Вейбулла, довольно точно описывается уравнением D p D pD D D exp p b 1 g D Dn f D n 3md i1 Di 1 2md i pD bD 1 1 erf Di2 2 Di 1 2 md i i, (22) pD D 2 D D 2 2m d i 2 i 1 exp 2 i 1 i 1 aDmi i 4md i1 D 8md i 1 D i где g Dm определяется суммой, представленной в фигурных скобках.

Зависимость fn(D) не нормирована и пригодна для расчета обоб щенных с учётом полипоровой структуры ФМ полноты ф и фракци онного коэффициента отсева dф. При определении pфi или qфi не обходимо знать f n D. С этой целью использован нормирующий множитель. Для n-го цикла фильтрования он находится интегрирова Dmax f n D dD.

нием выражения При сложных зависимостях g D для получения f(D) используются выражения (11) и (12). Представление текущей поровой структуры ФМ уравнением (12) универсально. Оно пригодно для любых распре делений f(D) и F(d) и учитывает влияние переменной дисперсности загрязнителя на зарастание пор.

Особенности зарастания пор нетканого материала, как выявлено по капиллярной модели (1)–(3), состоят в следующем:

– площадь поперечного сечения пор уменьшается неодинаково, самые значительные изменения (Di/D0)2 отмечены у пор больших раз меров;

– при отфильтровывании мелкодисперсного загрязнителя aD для почти всех D постоянно;

– по мере накопления отложений aDm возрастает.

Мелкие поры ФМ более других подвержены блокировке частица ми (рис. 1), особенно поры с D0 = 7…12 мкм, что обусловлено гидро динамикой потока фильтрата и наибольшей концентрации в ММ час тиц этого размера (загрязнитель Sуд = 1,05 м2/г). Поры с начальным диаметром менее 20 мкм интенсивно блокируются и зарастают незна чительно. При D0 50 мкм площадь поперечного сечения их уменьша ется с наибольшей скоростью. В диапазоне D0 = 20…45 мкм действие на поровую структуру блокировки равноценно зарастанию с усилени ем первого процесса для пор меньшего размера и второго – большего.

pD102 0 2, 0, 10 D0 = 35 мкм =1ч 1,2 1, 1, 1 1, 0,5 1, D, мкм 0 10 20 30 40 Рис. 1. Изменение поровой структуры ФМ при фильтровании Для кинетики фильтрования также характерно формирование би модального распределения открытых частично заросших отложениями пор по мере накопления в них отложений (рис. 1). Об адекватности по лученной кинетической модели фильтрования можно судить (рис. 1), сопоставляя расчетную и экспериментальную зависимости по фракци онному отсеву загрязнений в зависимости от накопления отложений.

Эксперименты подтвердили адекватность математического описания основных кинетических процессов фильтрования. Доказательством служит хорошее совмещение расчетной и экспериментальной характе ристик dф (d ) ФМ при максимальном заполнении пор отложениями и полной реализации грязеёмкости ФЭ (рис. 2). Расчётная зависимость для фракционного коэффициента отсева находится в доверительном интервале экспериментальных данных по этому показателю.

dф, % 1,94 = 1,8 ч 1,6 1,4 1 результаты эксперимента;

расчет по СМ (22) d, мкм 0 10 20 Рис. 2. Фильтровальные характеристики ФМ по отсеву при блокировке и зарастании пор Подводя итоги теоретическим исследованием кинетики фильтро вания загрязнённых механическими примесями технических жидко стей, можно сделать следующие выводы.

1. Разработаны кинетические модели разделения сложных гетеро генных систем ФМ с нерегулярной поровой структурой, позволяющие:

– установить распределение загрязнителей по зонам отсева и ме ханизмы отфильтровывания различных ФМ;

– определить связь гидродинамических процессов с задерживаю щей способностью поровых структур и выявить основные закономер ности фильтрования;

– учесть зарастание пор отложениями и закупорку их крупным частицами ДФ;

– рассчитать кинетику очистки ММ от нерастворимых продуктов при переменных дисперсном и фракционном составах загрязнений.

2. Разработанные положения теории фильтрования позволяют:

– обосновать главные направления интенсификации очистки ММ при загрязнении его нерастворимыми продуктами со сложной ДФ;

– сформулировать условия фильтрования, при которых возможно сти рассмотренных способов разделения гетерогенных систем исполь зуются наиболее полно;

– определить методы управления механизмами отсева для дости жения многофункционального или избирательного действия фильтров;

– прогнозировать способы разрешения противоречия или выбора наиболее выгодного компромисса между тонкостью и полнотой отсе ва с одной стороны и сроком службы и грязеемкостью ФМ – с другой.

УДК 621.431.74:729. Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА Цель проводимых нами исследований, основные результаты кото рых излагаются в данной статье, предусматривает разработку новых принципов очистки масла в ДВС комбинированным фильтрованием с обеспечением полной защиты пар трения от попадания крупных час тиц механических примесей и поддержанием на низком безопасном уровне загрязнения масла нерастворимыми продуктами. Предложен ные методы очистки масла состоят в использовании в системе смазки двух и более фильтрующих перегородок с придачей каждой из них специфических свойств, характеристик, режимов работы и разграни чении их функций.

Разработка требований к качеству очистки масла в ДВС, исследо вание загрязнения масла нерастворимыми продуктами, раскрытие ме ханизма фильтрования с учетом основных факторов, действующих на данный процесс, послужили базой для создания систем комбиниро ванной тонкой очистки моторного масла фильтрованием.

Очистка предусматривает использование комбинированных сис тем, фильтров и элементов. В системах комбинированию подлежат аг регаты очистки, в фильтрах – элементы, в элементах – фильтрующие перегородки. Возможно двойное комбинирование. Разные фильтрую щие элементы (ФЭ) могут устанавливаться в отдельных очистителях, совмещаться в одном агрегате и быть составными (комбинированными).

Шторы, элементы, фильтры при комбинированной очистке масла находятся в сложной гидравлической связи между собой и с системой смазки. Принципиально важен способ подключения их к системе смазки: полнопоточно, т. е. с фильтрованием всего потока масла, по ступающего в распределитель и далее в пары трения;

частично поточ но – с очисткой части масла и сбросом в картер, или присоединением к основному потоку. Возможна частично- и полнопоточная (комбини рованная) схема очистки.

На рис. 1 показаны способы подключения фильтров (ФЭ и их штор) к системе смазки двигателя. Для ограничения потока масла через частично поточные фильтры, элементы (шторы) предусмотрен дрос сель. Регулировочный клапан (рис. 1, в) автоматически вводит в про цесс фильтрования вспомогательный элемент при тяжелых (критиче ских) режимах работы основного.

Разработка фильтрующих элементов для комбинированной тонкой очистки масла в дизелях базировалась на изобретениях [1–5]. Для дизе лей мощностью 20…4000 кВт предложено пять типоразмеров элемен тов ёмкостью 0,6…10,2 дм3.

При создании типоразмерного ряда масляных сменных фильт рующих элементов использовался ГОСТ 22858–97. Для комбиниро ванной очистки масла рекомендуются элементы полнопоточные (ЭП), частично поточные (ЭЧ) и комбинированные (ЭПК, ЭК). ЭПК (эле мент полнопоточный, комбинированный) [1, 2] работает в системе смазки по схеме г (рис. 1). Частично- и полнопоточная очистка масла ЭК [3] осуществляется по схеме д (см. рис. 1).

В табл. 1 приведены характеристики фильтровальных материалов, рекомендованных к использованию при комбинированной очистке масла. В основном это листовые материалы толщиной 0,42…0,98 мм с тонкостью отсева 5…60 мкм. Для их изготовления применяются нату ральные и синтетические волокна, скрепляемые латексом, поливинил ацетатной эмульсией и другими клеящими составами. Бумаги для фильтрования масла (БФМ) формуются мокрым способом, остальные материалы – сухим.

Регулирование (ограничение) потока масла через ЭЧ осуществляет ся для условий достижения ими максимальной грязеёмкости. Началь ная пропускная способность ЭЧ-6,4 устанавливается 0,1…1,0 м3/ч.

Нижний предел соответствует применению объемного материала ОФМ-5, верхний – поверхностного НКФМ-20. Соотношение между числом ЭЧ и ЭП в комбинированных маслоочистителях составляет 1:2, 1:1 и 2:1, что позволяет удовлетворить потребности систем смазки ДВС с любыми характеристиками масла и параметрами его старения.

При удельной скорости загрязнения масла нерастворимыми в бен зине продуктами (НРП) ниже 0,02 и выше 0,05 г/(кВтч) используются комбинированные фильтры соответственно с заниженным и завышен ным числом ЭЧ. В диапазоне скоростей 0,03…0,04 г/(кВтч) число ЭЧ и ЭП в ФМК одинаково. Окончательно типоразмер фильтра выбирается исходя из характеристик дизеля, системы смазки и применяемых масел по результатам расчета поверхности полнопоточной фильтрации.

Моторная проверка эффективности комбинированного фильтро вания масла осуществлялась в судовых форсированных среднеобо ротных двигателях 5ВАН22 и 8ВАН22 (5ЧН22/32 и 8ЧН22/32;

Рe = 220 и 350 кВт;

n = 8,3 с–1;

pme = 0,87 МПа), 5А25 (5ЧН25/30;

Рe = 430 кВт;

n = 12,5 с–1;

pme = 0,94 МПа) фирмы «Зульцер». Экспе римент проводился также в дизелях 5Т23НН и 8Т23НН (5ЧН22,5/30 и 8ЧН22,5/30;

Рe = 460 и 735 кВт;

n = 12,5 с–1;

pme = 1,23 МПа) с повы шенным наддувом фирмы «Бурмейстер и Вайн».

Двигатели работали на дизельном Л-0,5-61 (ГОСТ 305–82) и мо торном ДТ (ГОСТ 1667–68) топливах. Содержание серы в них соот ветствовало 0,32…0,47 и 0,96…1,12 %. В системе смазки использова лись отечественные М-10В2, М-10Г2(цс) (ГОСТ 12337-84), и зарубеж ное Мобилгард-312 моторные масла. Начальная щелочность их на ходилась в пределах 5,2…12,1 мг КОН/г масла. Ей соответствовала сульфатная зольность 0,62…1,6 %.

Подбор ДВС для испытаний осуществлялся таким образом, чтобы можно было сопоставить эффективность комбинированных фильтров с показателями лучших современных маслоочистителей, являющихся штатными в системах смазки рассматриваемых двигателей. Сравнение осуществлялось с полнопоточным самоочищающимся фильтром (СОФ) S-6 Скаматик (размер щелей 30 мкм), ФТО СJС типа НDU 38/100 (тонкость отсева 12 мкм), работающим совместно с фильтром грубой очистки (ФГО) пластинчато-щелевого типа (толщи на промежуточных пластин – 0,1 мм).

Судовой эксперимент проводился по методике, изложенной в рабо те [6], основные результаты которого приведены в табл. 2. Параметры качества масла и коэффициент очистки указаны к моменту отработки маслом 2 тыс. ч. Показатели по износу и нагаро- и лакообразованию определены за 4 тыс.ч работы дизелей.

Анализ состояния масла при включении в систему смазки фильтров тонкой очистки масла, полнопоточных (ФТОМП, штатных и комбини рованных фильтров показал более глубокую его очистку агрегатами ФМК. Концентрация НРБ продуктов (ГОСТ 20684–95) как общих, так и зольных во всех случаях, кроме варианта с НDU 38/100, при исполь зовании комбинированных фильтров была в 1,23…1,78 раза ниже, чем при применении штатных и ФТОМП. Максимальный уровень накоп ления нерастворимых примесей в масле дизеля 8Т23НН при штатной и опытной системах очистки примерно одинаков.

Наибольший эффект в снижении общего загрязнения при комби нированном фильтровании масла получен в дизеле 5ВАН22 при рабо те на масле М-10В2 со средними моюще-диспергирующими свойства ми за счет усиления роли частичнопоточного режима очистки путем использования фильтра ФМК-3/1 с двумя ЭЧ. По зольным нераство римым продуктам аналогичный результат достигнут при применении масла М-10Г2(цс) и топлива ДТ.

Интенсивность очистки масла ФМК во всех дизелях за исключени ем 8Т23НН, где штатным является фильтр сверхтонкой очистки, самая высокая. У комбинированных маслоочистителей этот показатель выше в 3,6…6,0 по сравнению с ФТОМП и в 10,9…12,5 раза по сравнению с S-6 Скаматик. СОФ плохо задерживает мелкодиспергированные части цы нерастворимых примесей. Интенсивность очистки масла от НРБ продуктов фильтром S-6 Скаматик самая низкая. По этому показателю ФМК-6/3 уступает НDU 38/100. Наибольшее снижение концентрации зольных нерастворимых примесей в масле наблюдалось после перехода с самоочищающегося на комбинированный фильтр.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.