Применение жаропрочных пластиков в химической промышленности

Материал для химического оборудования выбирают под условия работы: учитывают состав раствора, температуру, давление и нагрузки. В одном насосе стальная втулка служит годами, в другом ее приходится часто менять из-за коррозии или износа. Для отдельных узлов инженеры используют PEEK и ULTEM. Эти пластики переносят нагрев, хорошо держат форму и позволяют обойтись без металлических вставок там, где они мешают работе оборудования.

У двух материалов разные возможности. PEEK лучше подходит для длительного контакта с горячими жидкостями и для деталей, которые испытывают трение. ULTEM часто выбирают для корпусов и изолирующих элементов. Перед заказом полезно разобраться, где полимер действительно выдержит условия цеха, а где разумнее оставить металл.

У замены металлических деталей есть вполне практические причины. Сталь приходится защищать от некоторых реагентов; тяжелая деталь дает дополнительную нагрузку на привод или крепление. Если узел должен электрически изолировать датчик от корпуса, металл потребует еще одного элемента конструкции. Полимер иногда решает эти вопросы за счет собственных свойств.

Речь обычно идет о небольших элементах: втулках, седлах клапанов, направляющих, вставках и защитных кожухах. Корпус реактора или нагруженный вал требует другого подхода. Когда обсуждают замену нержавеющей стали на пластик в химии, прежде всего проверяют нагрузку, давление, состав среды и способ крепления детали.

Для такого оборудования подходят далеко не все пластмассы. Полипропилен переносит контакт со многими химическими растворами, но при сильном нагреве теряет жесткость. Полиамид способен впитывать влагу, из-за чего меняются его размеры. Даже небольшое изменение посадки может вызвать течь или ускорить износ. Поэтому термостойкие пластики для производства подбирают по результатам испытаний конкретной марки.

PEEK — полукристаллический термопласт. Его полное русское название — полиэфирэфиркетон. По данным производителя Victrex, температура плавления материала составляет около 343 °C, а рабочая температура для некоторых марок может достигать 260 °C. Последняя цифра не разрешает использовать любую напечатанную деталь при таком нагреве: многое зависит от нагрузки и технологии изготовления.

Инженеру нужны характеристики полиэфирэфиркетона (PEEK) для конкретной марки, прежде всего данные о нагреве, износе, прочности и действии реагентов. PEEK сохраняет жесткость при нагреве, мало поглощает воду и устойчив ко многим маслам, солевым растворам, щелочам и другим веществам. Для концентрированной серной кислоты, сильных окислителей и ряда других веществ совместимость нужно выяснять отдельно.

Полимер подходит для втулок скольжения, опор и элементов арматуры. Здесь полезны его механическая прочность и устойчивость к истиранию. Если нагрузка высока, конструктор может выбрать материал со стекловолокном или углеродным наполнителем. Но такая марка иначе работает в паре трения: ответную поверхность тоже придется проверить.

Еще одна причина интереса к PEEK — гидролитическая стабильность. Материал переносит горячую воду и пар лучше многих распространенных пластиков. Это учитывают при промывке оборудования и работе с водными растворами. На практике проверяют и длительность контакта.

Так выглядит применение PEEK в химической промышленности на практике: из него делают ответственные внутренние элементы насосов и клапанов, изолирующие детали, направляющие в дозирующих механизмах.

ULTEM — торговое название семейства полиэфиримидов PEI, которое выпускает SABIC. Базовая марка ULTEM 1000 имеет температуру стеклования около 217 °C. Это показатель перехода материала в более податливое состояние, а вовсе не допустимая температура работы детали под любой нагрузкой.

Свойства пластика ULTEM интересуют разработчиков корпусов, электрических изоляторов, держателей приборов и другой оснастки. PEI хорошо сохраняет размеры, обладает малой усадкой и выдерживает нагрев, который оказался бы слишком сильным для обычного АБС-пластика. Полезны и диэлектрические свойства PEI. Из него изготавливают детали рядом с электрическими соединениями и датчиками.

У полиэфиримида есть ограничения по химической стойкости. Контакт с растворителями и некоторыми агрессивными составами способен привести к набуханию или растрескиванию. PEI обычно стоит дешевле PEEK, но без проверки химической стойкости такая экономия рискует обернуться ремонтом. Нужны название реагента, его концентрация, температура и сведения о возможных механических напряжениях.

PEEK и PEI встречаются в разных частях одного технологического участка. Первый выбирают там, где деталь контактирует со средой и испытывает износ. Второй пригоден для некоторых корпусов приборов, изоляторов и креплений, которые не соприкасаются с опасным раствором. Так инженеры используют высокотехнологичные полимеры для агрессивных сред, не переплачивая за наиболее дорогой материал во всех узлах.

У каждого заказа свои условия эксплуатации. Например, на участке перекачки горячего раствора может потребоваться заменить детали насосов, которые постоянно трутся о вал. В другом случае понадобятся уплотнительные кольца из подходящего материала: для них особенно важны геометрия канавки, прижим и сохранение размера при нагреве. Полимерные фитинги проверяют еще и на давление, герметичность соединения и стойкость к длительной нагрузке.

Есть несколько вопросов, которые стоит закрыть до изготовления пробной партии. Краткого названия вещества в паспорте оборудования недостаточно. Инженеру нужны рабочие условия, а также сведения о промывке и возможных отклонениях режима:

• какие именно агрессивные реагенты контактируют с деталью, в какой концентрации и как долго;

• какие значения температуры и давления возникают при пуске, обычной работе и очистке;

• где проходит зона трения, есть ли удары, вибрация и нагрузка на резьбовое соединение;

• по каким размерам будут контролировать изделие после изготовления и испытаний.

Ответы помогают выбрать марку и проверить, достаточна ли ее коррозийная стойкость в конкретной среде. Одной таблицы химической совместимости мало: она редко учитывает все особенности детали. Хорошая практика — испытать образец в рабочем растворе и затем измерить его размеры.

Для серийных партий сложной формы возможно литье под давлением. Оно требует пресс-формы и строгого контроля температур переработки, зато подходит при повторяющихся заказах. Для единичной детали часто удобнее мехобработка заготовки. Когда нужны опытные образцы или необычные внутренние каналы, помогает промышленная 3Д-печать. Но оборудование должно поддерживать выбранный материал: PEEK и PEI требуют специальных режимов, обычного настольного принтера здесь недостаточно.

На свойства напечатанного изделия влияют направление слоев, пустоты внутри стенок и качество поверхности. Для уплотняемых узлов особенно критична адгезия между слоями. Ее оценивают вместе с герметичностью, прочностью и стабильностью размеров. Возможность напечатать сложную форму сама по себе не гарантирует, что деталь выдержит давление.

Нержавеющая сталь хорошо подходит для нагруженных корпусов, трубопроводов и оборудования под давлением. У разных марок стали неодинаковая стойкость к кислотам и хлоридам. Титан легче стали и устойчив в ряде химических сред. Его тоже выбирают под конкретный раствор. Выбор зависит от реагента и требований к конструкции, а не от общей репутации материала.

У PEEK плотность существенно ниже, чем у стали или титана. Он может уменьшить массу подвижного элемента, а в подходящей паре трения — снизить риск задиров. По жесткости и теплопроводности металлические сплавы обычно превосходят ненаполненный полимер. При постоянном усилии пластик способен медленно деформироваться: конструкторы называют это ползучестью.

Чтобы оценить эксплуатационный ресурс, сравнивают работу узла в одинаковых условиях. Выигрыш может дать отсутствие коррозионного разрушения или меньший износ сопряженной детали. Иногда предпочтительнее оставить металлическую основу и установить сменную полимерную вставку. Такой вариант проще обслуживать.

Высокая цена PEEK оправдана, когда за счет его свойств можно сократить частоту ремонтов или решить проблему, с которой металл справляется плохо. ULTEM полезен в менее жестких условиях, особенно рядом с электрическими компонентами. Если высокотемпературная среда сочетается с давлением и сильным реагентом, окончательное решение принимают после испытаний.