Розробка екологічно безпечних технологічних процесів очищення та антикорозійної обробки елементів авіаційної техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

21.06.01 - Екологічна безпека

Розробка екологічно безпечних технологічних процесів очищення та антикорозійної обробки елементів авіаційної техніки

Бовсуновський Євген Олексійович

Київ 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, Франчук Григорій Михайлович, Національний авіаційний університет, професор кафедри екології

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Матейчик Василь Петрович, Національний транспортний університет, декан автомеханічного факультету, професор кафедри двигунів і теплотехніки;

доктор технічних наук, професор, Применко Валентин Іванович, Національний авіаційний університет, професор кафедри безпеки життєдіяльності.

Провідна установа Національний технічний університет України „КПІ” Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться „21” червня 2007 р. о 14-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.09 у Національному авіаційному університеті, за адресою: просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, Україна, 03680.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету, просп. Космонавта Комарова, 1, м. Київ, Україна, 03680.

Автореферат розісланий „ 18 ” 05 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат хімічних наук, доцент Сокольський Г.В.



1. Загальна характеристика роботи

аерозольний очищення забруднення антикорозійний

Актуальність роботи. Прогрес сучасних технологій формулює низку проблем, пов'язаних з вдосконаленням технологічних процесів експлуатації та відновлення техніки. А саме, необхідно підвищити екологічну та техногенну безпеку, ефективність виробничих процесів, економію матеріально-технічних ресурсів при збільшенні інтенсивності використання цієї техніки. Однією з найважливіших задач в авіаційній промисловості є підвищення екологічної безпеки, ефективності та економічності операцій очищення авіаційних деталей, а також забезпечення при цьому безпечних умов праці.

У процесах відновлення елементів авіаційної техніки використовуються екологічно небезпечні речовини, частина яких, випаровуючись, надходить в атмосферу планети, та разом з стічними водами попадає у Світовий океан. Особливістю викидів під час процесів очищення на авіапідприємствах є їх локальний характер, що призводить до утворення високих концентрацій, зосереджених в обмежених об'ємах повітря або води. Розповсюдження газоподібних продуктів процесів очистки та пари миючих розчинів з високою швидкістю впливає на природу та склад атмосфери, прискорює руйнування озонового шару, змінює клімат Землі. Надходження токсичних компонентів миючих розчинів та продуктів очистки у водні екосистеми знижує їх здатність до природного самоочищення, змінює їх санітарний режим, а також негативно впливає на живі організми: починаючи від бактерій, риб та інших мешканців водних екосистем, закінчуючи людиною, що їх споживає або використовує.

Традиційні способи очищення мають низку суттєвих недоліків: низька економічність; еконебезпечність, пожежонебезпечність та вибухонебезпечність миючих розчинів (використання розчинників: ацетонів, трихлоретилену, перхлоретилену, чотирихлористого вуглецю); відносно великі витрати матеріалів, які у своїй більшості відносяться до невідновних ресурсів планети; значна енергоємність; шкідливий негативний вплив на навколишнє середовище та працівників.

Один з найефективніших заходів запобігання шкідливому впливу продуктів очищення на навколишнє середовище є відмова від традиційних технологій, а також розробка, обґрунтування та впровадження нових екологічно безпечних технологічних процесів очищення елементів авіаційної техніки (АТ). Одним з найдоцільніших напрямків є використання високошвидкісних багатофазних багатокомпонентних потоків на основі екологічно безпечних природних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до „Основних напрямків державної політики України у галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки”, визначених Постановою Верховної Ради України від 27.07.1997 р., Національної програми покращення стану безпеки, гігієни праці і виробничої санітарії на 2002 - 2005 рр., та згідно з темою „Розроблення «Правил безпеки праці під час обслуговування спец транспорту та засобів механізації в аеропортах цивільної авіації»”, державний реєстраційний номер № 0105U008530 від 11.2005 р.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи - теоретично обґрунтувати використання екологічно безпечного високошвидкісного потоку крижаних гранул для очищення поверхонь від лакофарбових покриттів та інших забруднень, розробити екологічно безпечні методи очищення елементів АТ на основі аерозольних газодинамічних потоків (АГД), розробити екологічно чисту, пожежо-, вибухобезпечну технологію для підготовки поверхні під декоративні покриття, а також визначити можливості підвищення корозійної стійкості металевих поверхонь за рахунок нанесення шару компонентів природного корозійностійкого матеріалу.

Для досягнення цієї мети були поставлені такі завдання:

- деталізувати та розширити умови формування екологічної безпеки при використанні традиційних методів очищення;

- обґрунтувати екологічну безпечність та можливість інтенсифікації взаємодії рідких аерозольних частинок з шаром забруднення;

- виконати дослідження процесу очищення АГД потоками, встановити залежності ефективності очищення від параметрів потоку;

- розробити екологічно безпечну технологію очищення елементів АТ за допомогою аерозольного газодинамічного суспензійного способу обробки;

- теоретично дослідити процес впровадження компонентів природного корозійностійкого матеріалу в металічні поверхні;

- дослідити явище підвищення корозійної стійкості поверхонь металів після обробки різними робочими сумішами;

- розробити математичну модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул на основі розв'язків систем диференційних рівнянь руху двофазного середовища.

Об'єкт дослідження. Процеси очищення високошвидкісними багатофазними багатокомпонентними потоками та явище підвищення корозійної стійкості поверхонь металів, нанесення антикорозійних покриттів на основі екологічно чистих матеріалів, процеси взаємодії твердих та рідких аерозольних частинок з поверхнею матеріалу елементів АТ.

Предмет дослідження. Фізико-хімічні характеристики та технологічні режими очищення зразків сплавів на основі титану, заліза, алюмінію та залежність ефективності цих процесів від параметрів АГД потоку (тиск, температура, режими АГД, електрогазодинамічного (ЕГД) устаткування, концентрації твердих частинок, співвідношення рідкої та твердої фаз), часу сушіння; стан поверхні цих зразків до та після очищення; а також процеси нанесення антикорозійних покриттів на основі природних екологічно чистих матеріалів аерозольним газодинамічним суспензійним способом, корозійна стійкість зразків після антикорозійної обробки та стан їх поверхні після корозійних випробувань.

Методи дослідження. Для досягнення завдань дисертації були використані теорії пластичного та крихкого руйнування, теорія кінетики рідин, методи експериментальної фізики при вимірюванні гідрогазодинамічних та електричних характеристик потоків, для порівняльного аналізу вмісту домішок у мінеральній речовині використовували метод електронного парамагнітного резонансу, для визначення хімічного складу та товщини корозійностійкого покриття - метод оже-спектроскопії, стандартні методи визначення швидкості корозії.

Наукова новизна одержаних результатів. Результати проведених досліджень дозволяють вирішити проблему забруднення атмосферного повітря шляхом заміни, у процесах очищення поверхонь елементів АТ, токсичних пожежовибухонебезпечних речовин на екологічно безпечні природні матеріали.

- деталізовано та розширено умови формування екологічної безпеки при використанні традиційних способів очищення поверхні елементів АТ, визначено екологічний ризик та показано небезпечність використання цих способів;

- теоретично визначено залежність сили, що підриває шар забруднення, від параметрів аерозольного потоку (з врахуванням ефекту поперечного розтікання очищаючої суміші), що розширює можливості використання на виробництві екологічно безпечних АГД способів.

- визначено вплив різних факторів на ефективність очищення поверхонь матеріалів за допомогою АГД потоків; встановлено параметри роботи АГД установки (тиск на вході в сопло 0,5 МПа) для очищення і нанесення антикорозійного покриття одночасно;

- вперше проведено експериментальні дослідження нанесення антикорозійного покриття, що складається з компонентів екологічно безпечного природного матеріалу; показано двошаровий характер антикорозійного покриття;

- вперше проведено аналіз хімічного складу цього покриття в залежності від його товщини; встановлено, що основними компонентами його є оксиди кремнію та алюмінію;

- визначено залежність швидкості корозії різних матеріалів підкладки від складу робочої суспензії;

- розроблено нову математичну модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул; встановлено, що підвищення температури в зоні контакту крижаної гранули та забрудненої поверхні матеріалу не знижує механічних та фізичних властивостей поверхневого шару елементів АТ.

Практичне значення отриманих результатів. Модифіковано відомі методи очистки поверхонь матеріалів та розроблено новий екологічно чистий метод нанесення антикорозійного покриття, при якому використовуються природні екологічно безпечні матеріали.

Обґрунтовано можливість використання очищення крижаними гранулами для забруднених поверхонь, що мають спеціальні властивості, на основі отриманої залежності температури в зоні контакту крижаної гранули з поверхнею матеріалу від швидкості аерозольного потоку.

На основі результатів досліджень внесено зміни у технологічну карту обробки елементів авіаційної техніки (замінено промивання кріплення гарячої частини авіадвигуна в органічних розчинниках на очищення аерозольним газодинамічним суспензійним способом) на ДП „Завод 410 Цивільної авіації”.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем повністю виконаний аналіз стану проблеми [1-12], формування висновків щодо режимів роботи аерозольної газодинамічної установки [2], дослідження руху вагомої частинки [3], патентний пошук та експериментальні дослідження швидкості корозії [4], розроблена особисто автором модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під впливом потоку крижаних гранул [5], отримано залежність сили, що підриває шар забруднення з врахуванням швидкості розтікання рідини [6], експериментальні дослідження та коригування робочих параметрів аерозольного газодинамічного суспензійного способу обробки [7], запропоновані напрямки інтенсифікації аерозольних газодинамічних способів обробки [8], комплексний підхід до забезпечення екологічної безпеки на авіатранспортних підприємствах [9,10], отримані експериментальні дані і виконані теоретичні розрахунки щодо нанесення екологічно безпечного антикорозійного покриття [11,12]. Вимірювання методом оже-спектроскопії складу антикорозійного покриття на поверхні зразків після обробки аерозольним газодинамічним суспензійним способом виконані за сприяння д. фіз.-мат. н., професора Васильєва М.О., зав. відділом атомної структури та динаміки поверхні інституту металофізики Національної академії наук України ім. Г.В. Курдюмова.

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних та експериментальних досліджень за напрямком дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наукових конференціях різних рівнів: міжнародних науково-технічних конференціях “Авіа-2001”, „Авіа-2004”, (Національний авіаційний університет, м. Київ, 2001, 2004 рр.); науково-методичних конференціях „Безпека життєдіяльності людини. Освіта, наука, практика.” (Національний авіаційний університет, м. Київ, 2002, 2003 рр.); міжнародному симпозіумі „Міжрегіональні проблеми екологічної безпеки” (МПЕБ - 2003), (м. Суми, 2003 р.); міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми управління якістю підготовки фахівців - екологів у світлі інтеграції освіти України в Європейський простір та перспективні природоохоронні технології” (м. Львів 2003 р.); V науково-технічній конференції студентів та молодих вчених „Політ-2004” (Національний університет, м. Київ, 2004 р.); ІІ Международной научно-практической конференции „Экология: образование, наука, промышленность и здоровье” (Белгородский государственный технический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, 2004 р.), XI Міжнародній науково практичній конференції „Екологічна світа і наука: здобутки та перспективи” (ХНУ ім. Каразіна В.Н., м. Харків, 2006 р.).

Публікації. За результатами проведених дисертаційних досліджень опубліковано 12 наукових робіт, з них: 4 наукові статті у фахових наукових виданнях; 1 стаття у зарубіжному виданні; 6 тез доповідей наукових конференцій; 1 патент України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел (101 найменування). Роботу викладено на 149 сторінках друкованого тексту, вона містить 44 рисунка та 12 таблиць.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи. Сформульовано мету та задачі, визначено об'єкт та предмет досліджень, охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено огляд літератури та проаналізовано особливості процесу очищення з точки зору екологічної безпеки. Встановлено, що на практиці використовують такі основні екологічно небезпечні миючі та очищаючі розчини і їх компоненти: лужні розчини (їдкий натр і калій, метасилікати та ортосилікати натрію, ортофосфати та пірофосфати натрію, метаборат натрію), кислотні розчини і органічні розчинники (ортофосфорна кислота, монобутиловий ефір етиленгліколю, хладон-113, трихлоретилен) та інші; для яких, за відомою методикою Кисильова А.В., Савватеєвої Л.А., розраховані та оцінені рівні екологічного ризику. На основі розрахунків складено баланс використання речовин різного рівня екологічного ризику під час процесів очищення від забруднення поверхонь елементів АТ.

Аналізуючи недоліки традиційних способів очищення, можна зробити такі висновки:

- основним напрямком підвищення екологічної чистоти традиційних способів очищення є не зменшення відходності за рахунок технологічних або конструктивних нововведень, а встановлення додаткових фільтруючих елементів, вловлювачів, відстійників, нейтралізаторів і захоронення накопичених екологічно небезпечних відходів у спеціально обладнаних могильниках;

- вклад у відходність очищаючих рідин та сумішей може досягати більш ніж 50 %, причому токсичність та екологічна небезпечність залежить головним чином від рівня екологічної небезпечності робочого середовища, а не забруднення, що видаляється.

- у багатьох випадках утворюються відходи: солі важких металів та інші важкорозчинні осади, які проявляють токсичність, мутагенність, тератогенність, канцерогенність, алергенність і підлягають обов'язковій утилізації способом захоронення у могильниках;

- ефективність традиційних методів є наслідком високої енергоємності та матеріалоємності;

- способи очищення, у яких використовуються розчинники, а також інші легкозаймисті речовини характеризуються високою пожежо-вибухонебезпечністю та майже неминучою втратою до 10 % робочих речовин за рахунок випаровування, що істотно знижує рівень як екологічної, так і техногенної безпеки.

Визначені основні властивості, які повинна мати технологія обробки, щоб задовольнити жорсткі вимоги екологічної безпеки, економічності, технологічної реалізації. Альтернативою є використання аерозольних газодинамічних потоків з робочими сумішами на основі води.

Другий розділ присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням екологічно чистого процесу обробки АГД способами. Проаналізовано можливість підвищення ефективності очищення шляхом зміни фізичних властивостей очищаючих рідин та значення сили взаємодії за допомогою електричного поля. На основі уявлень механіки взаємодії рідких часток з твердою поверхнею, закону Кулона з врахуванням теореми Гауса для контактної області S (висотою Н, радіусом кільця взаємодії ак - критичний радіус взаємодії та радіальним кутом d для елементарної поверхні взаємодії dS), що відповідає моменту виникнення поперечного розтікання рідини у краплі після співудару з поверхнею, що очищається, а також швидкості поперечного розтікання рідини, отримано вираз (1) для результуючої сили F, що підриває шар забруднення:

;

- кут нахилу результуючої сили до площини поверхні.

З формули видно, що зміна електричних та газодинамічних параметрів зарядженого аерозольного потоку дає можливість розподіляти роботу по відриву та підриву шару забруднення. Цей ефект можна використати при очищенні різних видів забруднення (міцного застарілого, а також маслянистого). Для різноманітних матеріалів можна підібрати свої режими роботи аерозольної електрогазодинамічної установки, для запобігання пошкодження поверхні та зміни її властивостей.

На основі експериментальних досліджень залежності ефективності очищення від параметрів аерозольного потоку визначені їх робочі діапазони:

- тиск газу на вході в сопло (2,5 - 3,5)105 Н/м;

- витрата робочої рідини (1 - 1,5)10-3 кг/с;

- відстань від зрізу сопла до поверхні деталі (4 - 6)10-2 м;

- кут нахилу осі струменя до площини поверхні 40 - 60 °.

Використання суспензій глини на основі води дозволяє значно інтенсифікувати процес очищення за рахунок збільшення маси аерозольних часток.

Природна екологічно безпечна речовина - глина відноситься до матеріалів, що мають властивості мікропористих адсорбентів. Оскільки у стічних водах одного підприємства звичайно містяться або переважно низькомолекулярні, або високомолекулярні речовини та багато молекулярні асоціати, суспензію глини можна використовувати як ефективний адсорбент органічних сполук та важких металів у процесах доочищення (зниження вмісту фенолу у воді у 1000 разів, свинцю приблизно у 15 разів).

Концентрація шкідливих речовин (технічний миючий засіб „Імпульс”) у навколишньому природному середовищі під час технологічного процесу АГД суспезійного (АГДС) способу очищення мала порівняно з ГДК (С = 0,0133 мг/м3), отже екологічний ризик малий (Risk = 5,15*10-5). Витрати робочої рідини (0,06 - 0,3) л/хв. При цьому об'єм твердої фази складає 1/3 - 1/4 від загального об'єму робочої рідини. Максимальна витрата суспензії за одну робочу зміну (7 годин) на одне АГД сопло складає 126 літрів. При цьому витрата твердого компоненту суспензії складає 32 кг. Отже, затрати на очищення можна знизити майже у 4 рази, і хоча трудомісткість очищення елементів двигуна аерозольними газодинамічними способами вища, разом з тим якість обробки поверхні елементів авіаційної техніки теж вища ніж у традиційних способів.

Даний спосіб відрізняється високою екологічною чистотою, тому що дозволяє виключити з процесів очищення органічні розчинники, а витрата глини в сотні разів менше витрат на очистку такої ж площі поверхні, наприклад, пневмоабразивним способом.

У третьому розділі обґрунтовано актуальність створення нових способів нанесення антикорозійних покриттів на металічні поверхні у зв'язку з високою вартістю та низьким рівнем екологічної безпеки нанесення покриттів традиційними способами.

На основі теорії впровадження твердих часток у матеріали з урахуванням сили опору прониканню через плівку рідини визначено, що глибина проникання часток глини у матеріали (30ХГСА, ВТ-3-1) при початковій швидкості контакту 300 - 400 м/с, складає 0,5 - 1,5 мкм. Це означає можливість нанесення тонкого шару екологічно безпечного природного корозійностійкого матеріалу на металічні поверхні елементів АТ.

Новий екологічно безпечний спосіб нанесення антикорозійного покриття повинен задовольняти технологічним вимогам ефективності для його впровадження на виробництві. Оцінка дії різних суспензій на високотемпературні нагари та окисні плівки лопаток компресора високого тиску двигуна Д36 з титанового сплаву ВТ-8 наведена у табл. 1.

Таблиця 1 Ефективність очищення поверхні елементів авіаційної техніки від високотемпературного нагару та окисної плівки

Тип сировини суспензії	Час очищення, с	Шорсткість поверхні, мкм
Каолін (ГОСТ 21286-82)	400	0,15
Бентоніт Огланликський	375	0,21
Глина спонділова - зелена (кар'єр „Мостище”)	129	0,23
Глина керамзитова (Запорізьке родовище)	70	0,24
Суміш каоліну 50 % з глиноземом 50 %	45	0,23
Суглинок темно-бурий (кар'єр „Роїще”)	35	0,25

Результати експериментів свідчать, що залежно від типу мінеральної сировини ефективність процесу очищення може суттєво відрізнятися (приблизно у 10 разів). При цьому параметр шорсткості поверхні може відрізнятися майже у 2 рази. Також відомо, що глинисті матеріали, в яких вміст оксиду алюмінію перевищує 11 %, можуть бути використані як сировина для виробництва алюмінію, отже, їх стратегічно невигідно використовувати для інших цілей. Результатом еколого-економічного аналізу доцільності використання різних глинистих матеріалів, як компонентів очищаючих сумішей, є вибір (за такими основними параметрами: необхідна шорсткість поверхні після обробки, висока ефективність обробки, вартість сировини, наявність розвіданих родовищ, відносний вміст оксиду алюмінію, кремнію та інших домішок) двох видів сировини - суглинок темно-бурий та глина спонділова (зелена).

Дослідження складу антикорозійного покриття на поверхні зразків після її обробки АГДС способом протягом 60 с при значеннях тиску на вході в сопло установки - 0,6 МПа, концентраціїглини та води 1:3 за масою, відстані до поверхні, що оброблюється, - 0,07 м, куті нахилу осі струменя до площини поверхні - 90 проводились методом оже-спектроскопії на модернізованому електронному спектрометрі 0940С-10-005 інституту металофізики Національної академії наук України ім. Г.В. Курдюмова, що дозволило ідентифікувати по енергіях оже-електронів елементи з атомним номером Z > 2 та проводити пошаровий аналіз одночасно за вісьма компонентами з дискретністю по глибині не більше 0,5 - 1 нм. При електронній оже-спектроскопії інформація відноситься до поверхневої області товщиною в 2 - 4 атомних шарів. При нанесенні на поверхню сторонніх атомів електронна оже-спектроскопія дозволяє виявити біля 10-2 моношарового покриття цих атомів. Абсолютна чутливість методу складає приблизно 10-14 г, відносна чутливість за домішками об'ємного походження - порядку 10-3 ат.%. Результати дослідження представлені.

Експерименти показали, що на поверхні матеріалу сталі 30ХГСА утворилося пористе двошарове покриття.

За допомогою теорії математичної статистики визначено середні глибини залягання частинок кремнію та алюмінію. Параметром розподілу кількості атомів певного елементу на поверхні з обмеженою, однаковою для всіх значень площею будемо вважати глибину залягання h центрів сферичних частинок, значення глибин залягання атомів Al та Si у поверхневому шарі матеріалу цифровані за допомогою графічного діджитайзера Windig25 з залежності. Відхилення значень глибин залягання атомів генеральної сукупності від їх середнього значення визначається дисперсією. Результати розрахунку параметрів генеральної сукупності глибин залягання алюмінію та кремнію відповідно наведено у табл. 2.



Таблиця 2 Розраховані характеристики екологічно безпечного антикорозійного покриття

Матеріал	Середня глибина залягання, мкм	Дисперсія, мкм	Середнє квадратичне відхилення, мкм
Алюміній	0,6352	0,0221	0,1486
Кремній	0,3191	0,0255	0,1596

Шар алюмінію має більш щільну структуру, ніж шар кремнію, тому що він має більшу твердість і проникає глибше у матеріал підкладки, залишаючи вільні заглиблення, які займаються частинками кремнію.

Аналіз результатів експериментів, у випадку обробки титанового сплаву ВТ-3, а, б, свідчить, що характер покриття аналогічний покриттю на сталі. Шар покриття збагачений кремнієм є більш щільним, ніж при обробці сталі та знаходиться на меншій глибині до 0,4 мкм з вмістом кремнію до 20 ат.%. Це можна пояснити тим, що титановий сплав має більшу твердість у порівнянні зі сталлю.

Виконане дослідження складу антикорозійного покриття АТ техніки свідчить про можливість нанесення покриття з суспензії природного екологічно чистого матеріалу - глини - за допомогою екологічно безпечного аерозольного газодинамічного суспензійного способу.

Для дослідження підвищення корозійної стійкості відповідно з нормативно технічною документацією „Єдина система захисту від корозії та старіння” після обробки АГДС способом використовувалися стандартні плоскі зразки 100501,5 мм двох різних матеріалів, що широко використовуються у процесах відновлення елементів АТ, сплавів Ст20 та 30ХГСА. Обробка зразків проводилась на однакових режимах роботи установки для різних типів глинистого матеріалу. Значення робочих параметрів установки: тиск на вході в сопло - 0,6 МПа; витрата робочої рідини - (1 - 1,5)10-3 кг/с; з вмістом відповідно глини та води 1:3 за масою; відстань до поверхні, що оброблюється, - 0,07 м; кут нахилу осі струменя до площини поверхні оброблюваного матеріалу - 90 ; час обробки - 300 с.

Як агресивні середовища використовувалися 10%-і водні розчини H2SO4 та H3PO4. Випробування проводили при кімнатній температурі протягом 10 днів. Зразки періодично виймали з розчину, промивали водою, висушували, а потім зважували. Корозійну стійкість оцінювали за швидкістю корозії, яку визначали за відношенням зміни маси зразків до площі їх поверхні за час корозійного дослідження. Результати експериментів представлені.

Швидкість корозії оброблених зразків сталі 30ХГСА виявилася меншою, ніж швидкість корозії необроблених зразків, у 3 рази. Зразки, оброблені суспензією зеленої глини, піддавались корозії швидше, ніж необроблені. При дослідженні корозійної стійкості сталі Ст20 в обох агресивних середовищах зразки виявилися захищеними. Той факт, що на початку випробувань (перші три доби ) швидкість корозії зразків без обробки була меншою, ніж швидкість корозії оброблених зразків, пояснюється пористістю покриття або його частковим відшаруванням. Швидкість корозії оброблених зразків виявилася у 3 рази меншою ніж необроблених.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено та запатентовано новий екологічно безпечний спосіб нанесення антикорозійного покриття на поверхню металів.

Суттєвою перевагою є використання більш простого технологічного обладнання та простих технологічних операцій для АГДС способу у порівнянні з іншими способами нанесення антикорозійного покриття (хіміко-термічною та гальванічною обробкою). АГДС способом можна обробляти великогабаритні складно профільні деталі, що, у випадку, як дифузійного насичення, так і гальванічної обробки, неможливе із-за обмеженості об'єму робочої камери, ванни та зміни концентрації порошку насичуючого елементу, а отже, й зміни глибини дифузії у кутках та заглибленнях деталі, що оброблюється.

Використання дешевих, розповсюджених та екологічно безпечних глинистих матеріалів - ще одна перевага аерозольного газодинамічного суспензійного способу нанесення антикорозійного покриття на поверхню металів.

Способи нанесення покриттів на поверхні деталей відрізняються своєю високою собівартістю та низьким рівнем екологічної безпеки. Як каталітичні добавки при хіміко-термічному дифузійному насиченню використовують матеріали на основі таких елементів: Mo, Ti, Al, Na, F, а процес насичення проводять в атмосфері чотири хлористого вуглецю. Відпрацьована порошкова маса спікається і не підлягає повторному використанню. Вартість хіміко-термічної обробки істотно залежить від вартості матеріалу, що наноситься, та каталітичних добавок. Обробка (зняття старого покриття, хромування або нікелювання, полірування) комплексу складнопрофільних поверхонь деталей загальною площею 1м2 коштує від 15000 до 25000 грн. Вартість зняття старого анодного покриття, освітлення, анодування поверхні деталі площею 1 м2 складає 32 грн. (анодування тільки для сплавів алюмінію). Очищення від забруднення, нанесення антикорозійного покриття аерозольним газодинамічним суспензійним способом має виробничу собівартість 15 - 25 грн/м2, в залежності від складності профілю та міцності забруднення, причому вартість затраченої енергії та матеріалів складає 30 % від загальної вартості обробки.

Екологічний ризик використання хіміко-термічного та гальванічного способів обробки поверхонь для використовуваних речовин становить Risk = 10-3 - 2*10-2, що відповідає високому та надзвичайно високому рівню ризику токсичного ефекту у людини. При використанні аерозольного газодинамічного суспензійного способу нанесення антикорозійного покриття на поверхню елементів авіаційної техніки екологічний ризик значно менший (Risk = 5,15*10-5).

Четвертий розділ присвячено теоретичному дослідженню характеристик аерозольного газодинамічного потоку крижаних гранул.

Аналіз розв'язків рівнянь руху двохфазного середовища, що складається з газу та монодисперсних часток показує, що найбільш інтенсивний розгін та теплообмін частки та газу відбувається на початковій ділянці довжиною ? 20 ч 50 діаметрів частки. При подальшому збільшенні швидкості та температури газу інтенсивність зміни Vs и Ts суттєво зменшується, наближаючись до значень V и T. При виході з каналу швидкість можна розраховувати за відомими формулами для ізотермічного потоку двофазного середовища круглого перерізу, що складається з повітря і твердих часток. Розроблена методика розрахунку Vs и Ts дозволяє розрахувати швидкість та температуру частки в момент взаємодії з твердою поверхнею.

Для теоретичного обґрунтування та розробки моделі теплофізичного стану поверхні у зоні контакту крижаної гранули з поверхнею матеріалу використано основні положення механіки руйнування. Межі використання уявлень механіки крихкого руйнування виявляються досить широкими, особливо якщо допустити наявність пластичної зони у місці контакту (у нашому випадку пластична зона переміщується разом з фронтом хвилі руйнування). Але апарат механіки суцільного середовища не в змозі описати процес високошвидкісного руйнування такого матеріалу як лід, тому що на відстанях від краю тріщини порядку міжатомного досягається значення теоретичної міцності, а радіус заокруглення набагато менший міжатомної відстані, отже, матеріал не можна вважати суцільним середовищем. Найпростіший вихід - введення розривних рішень рівнянь теорії пружності.

Для розробки математичної моделі теплофізичного стану поверхні матеріалів у зоні контакту з крижаною гранулою розглянемо два відокремлених тіла, що поєднані між собою обміном енергії.

Для спрощення моделі розглянемо випадок контакту гранули з чистою поверхнею. Під дією поздовжніх (хвиля ущільнення) і поперечних (хвиля викривлення форми) хвиль напруження та їх відображень від границі гранула-повітря, крижана гранула перетворюється на рідину. Аналізуючи залежність діаметра зони контакту від часу, знаходимо критичний час взаємодії tкр = 410-5 c, він характеризує початок розтікання рідини. Необхідно відразу підкреслити, що стаціонарний режим розповсюдження хвиль руйнування можливий лише у тому випадку, коли швидкість руйнування дорівнює швидкості розповсюдження поздовжніх пружних хвиль. Отже, час руйнування і перетворення крижаної гранули у краплю води становить 510-8 с, що на три порядки менше, ніж критичний час взаємодії. Це означає, що всі процеси, які протікають у гранулі, а також у зоні контакту, можна вважати лінійними.

Обмежимося розглядом процесів, в яких достатньо враховувати лише механічну та теплову енергію. Зміні повної механічної енергії гранули, що перетворилася на рідину, відповідає зміна внутрішньої енергії та виділення теплоти

Для визначення температури у зоні контакту перейдемо до розгляду процесів, що відбуваються у деякому об'ємі поверхневого шару. Нагрівання частини матеріалу поверхні відбувається за рахунок розповсюдження хвиль напруження (динамічної пружної деформації). Динамічна пружна деформація характеризується тими ж пружними константами, що пружна деформація. Для об'ємної хвилі загальні рівняння руху мають вигляд:

Хвильове рівняння (3) можна проінтегрувати. Його рішенням є потенційна функція для будь-якої конкретної геометрії хвилі. Загальне рішення в момент часу t на відстані r від точкового джерела, що рухається зі швидкістю , має вигляд

Функції f та g описують хвилі, що розходяться і сходяться. Для знаходження температури у зоні контакту крижаної гранули та поверхні, що оброблюється, допустимі тільки перші з них. Зміщення та напруження, що пов'язані з цими хвилями, можуть бути безпосередньо виражені через f (4).

При квазістатичному навантаженні порожнини (радіусом r0 ) тиском p можна у явному вигляді знайти f. Але при динамічному навантаженні p(t) аналіз більш ускладнений. Для найпростішого випадку, коли імпульс тиску має прямокутну форму

Аналізуючи відповідні напруження зсуву визначені за допомогою рівняння (5), можна зробити висновок, що значний вплив напруження зсуву у матеріалі на підвищення температури відбувається у межах відносної відстані від центру гранули (квазістатичний стан). Обчислюючи об'єм матеріалу, що нагрівається, як сегмент кулі, знаходимо також його загальну масу mn. Для виведення залежності температури нагрівання від швидкості гранули, припустимо, що розподіл температурного поля у півсферичному просторі рівномірний.

Після інтегрування та перетворень рівняння (2) отримуємо залежність температури нагрівання Tn від швидкості аерозольного потоку крижаних гранул.

У межах представленої математичної моделі (6) теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул можна побудувати графіки залежностей температури нагрівання поверхонь різних матеріалів від швидкості аерозольного потоку.

Завдяки розробленій моделі можна керувати температурою в зоні контакту, а отже і ступенем впливу аерозольного потоку крижаних гранул на стан поверхні матеріалів. Впровадження у виробництво екологічно безпечного процесу очищення потоком крижаних гранул виключає використання токсичних розчинників, що забезпечує підвищення безпеки праці та запобігає погіршенню здоров'я працюючих, а також зменшує навантаження на озоновий шар Землі. Окрім того, невикористання дорогих очищаючих матеріалів та можливість повторного використання відпрацьованої води дозволяє зберегти невідновні мінеральні ресурси планети.

У п'ятому розділі проведено експериментальну оцінку впливу газодинамічних, геометричних параметрів та дисперсійних характеристик аерозолю на ефективність екологічно безпечного процесу очищення потоком крижаних гранул. Експериментальна установка складається з генератора рідкого аерозолю, пристрою для транспортування крижаних гранул, накопичувача монодисперсних крижаних частинок, ежекторний газовий пристрій, магістраль для подачі крижаних гранул до поверхні, що оброблюється. Ефективність процесу очищення оцінювалася за масою крижаних гранул, що необхідні для очищення одиничної контрольної поверхні, а також за часом очищення цієї поверхні. За результатами експериментів визначено робочі параметри екологічно чистого процесу очищення елементів АТ від забруднення за допомогою аерозольного потоку крижаних гранул:

1) кут нахилу осі струменя до поверхні = 45...70 °;

2) відстань уздовж осі струменя від вихідного зрізу сопла розпилювача до оброблюваної поверхні l = 0,05...0,1 м;

3) абсолютний тиск повітря для транспортування частинок до оброблюваної поверхні р = 0,5...0,55 МПа;

4) концентрація крижаних гранул в аерозольному потоці = (1...2) 106 1/м3 при діаметрах частинок d = 0,6...2,5 мм;

5) витрата крижаних гранул G = 0,025...0,05 кг/c

На основі результатів проведених досліджень було розроблено методику визначення режимів технологічного процесу очищення поверхні виробів, які спричиняють мінімальний вплив на довкілля і, разом з тим, забезпечують максимальну ефективність обробки.



Висновки

1. Деталізовано та розширено відомості про умови формування екологічної небезпеки та визначено високий рівень екологічного ризику при використанні традиційних методів очищення поверхонь елементів авіаційної техніки від забруднення.

2. Обґрунтовано екологічну безпеку та можливість інтенсифікації взаємодії рідких аерозольних частинок з шаром забруднення. Теоретично визначена залежність сили, що підриває шар забруднення, від параметрів аерозольного потоку з врахуванням ефекту поперечного розтікання очищаючої суміші, що розширює можливості використання на виробництві екологічно безпечних аерозольних газодинамічних способів.

3. На основі результатів експериментальних досліджень процесу очищення екологічно безпечними аерозольними газодинамічними потоками отримано залежності ефективності від параметрів потоку. Визначені діапазони зміни робочих параметрів аерозольних газодинамічних установок: тиск повітря на вході в сопло 0,25 - 0,4 МПа; витрата робочої рідини (0,5 - 1)10-3 кг/с; температура повітря на виході із сопла 40 - 90 °С; відстань від зрізу сопла до поверхні, що оброблюється, по осі струменя 0,07 - 0,1 м; кут нахилу осі струменя до площини поверхні, що оброблюється, 45 - 90 °.

4. Теоретично обґрунтовано процес впровадження компонентів природного корозійностійкого матеріалу в поверхню металів; встановлено, що з підвищенням швидкості аерозольних частинок до значень 300 - 400 м/с глибина впровадження частинок глинистого матеріалу у поверхню металу становить 0,5 - 1,5 мкм. Обґрунтовано еколого-економічну доцільність використання для обробки аерозольним газодинамічним способом поверхні елементів авіаційної техніки двох глинистих матеріалів: суглинок темно-бурий, глина спонділова - зелена.

5. Уперше виявлено можливість обробки поверхні елементів авіаційної техніки аерозольним газодинамічним суспензійним потоком з метою антикорозійної обробки та підвищення екологічної чистоти процесів нанесення антикорозійних покриттів. Причому, змінюючи параметри роботи аерозольної газодинамічної установки, можна реалізовувати процеси очищення поверхні та нанесення антикорозійного покриття: окремо один від одного, почергово або одночасно.

6. Уперше експериментально досліджено склад поверхні матеріалів, оброблених аерозольним газодинамічним суспензійним потоком з метою підвищення корозійної стійкості; за допомогою методу оже-спектроскопії встановлено наявність двошарового пористого алюмо-силікатного покриття на поверхні матеріалів; визначено, що глибина залягання шару оксиду кремнію h = 0,3191 мкм; глибина залягання шару оксиду алюмінію h = 0,6352 мкм. Можливість нанесення алюмо-силікатного покриття аерозольним газодинамічним суспензійним способом дозволяє виключити використання екологічно небезпечних токсичних речовин (чотирихлористий вуглець, аміак, хлор та ін.) з процесів антикорозійної обробки елементів авіаційної техніки, а отже зменшити техногенне навантаження на біосферу.

7. Уперше експериментально досліджено ефект підвищення корозійної стійкості металів після нанесення антикорозійного покриття на основі природних екологічно безпечних матеріалів (суглинок темно-бурий, глина спонділова - зелена); встановлено можливість використання аерозольного газодинамічного суспензійного способу обробки як спосіб нанесення антикорозійного покриття на металічні поверхні, який значно екологічно безпечніший порівняно з традиційним хіміко-термічним дифузійним насиченням. На основі експериментальних досліджень корозійної стійкості сплавів заліза 30ХГСА та Ст20 у 10% водних розчинах H2SO4 і H3PO4 встановлено, що зразки, оброблені суспензією зеленої та червоної глини, мають швидкість корозії приблизно у 3 рази меншу, ніж необроблені. Застосування антикорозійної обробки на основі аерозольного газодинамічного суспензійного способу сприяє раціональному використанню природних ресурсів, а саме, заощадження рідкісних та дорогих матеріалів (Mo, Ti, чистого Al, F та ін.)

8. Розроблена математична модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул; отримано залежність температури поверхні матеріалу у зоні контакту з крижаною гранулою від параметрів аерозольного потоку (швидкість крижаних гранул); визначено можливість керування температурою в зоні контакту, а отже і ступенем впливу аерозольного потоку крижаних гранул на стан поверхні матеріалів. Це дозволяє прогнозувати наслідки взаємодії крижаних гранул та поверхні, що очищується, та підбирати параметри роботи аерозольної установки для різних матеріалів, що розширює спектр використання на виробництві екологічно безпечного процесу очищення потоком крижаних гранул та виключає використання екологічно небезпечних органічних розчинників та інших токсичних речовин.

9. Запропоновано енергозберігаючу пожежовибухобезпечну екологічно чисту технологію та обладнання для очищення поверхні елементів авіаційної техніки потоком крижаних гранул.



Список опублікованих автором робіт за темою дисертації

1. Франчук Г.М., Бовсуновський Е.О. Підвищення еколого-техногенної безпеки сертифікаційних випробувань авіаційної техніки // Людина і довкілля: Проблеми неоекології. - 2004. - № 5. - С. 68 - 70.

2. Франчук Г.М., Бовсуновский Е.А. Комплексный подход к обеспечению экологической безопасности в перспективном машиностроении // Вестник БГТУ. - 2004. - №8. - ч. III. - С. 166 - 169.

3. Франчук Г.М., Антонов А.М., Хорошилов О.В., Бовсуновський Є.О. Математична модель руху вагомих частинок в потоці завихреного газу // Вісник НАУ. - 2005. - № 1. - С. 105 - 108.

4. Деклараційний патент України № u 2005 03383 МПК 7 С 23 С 24/04. Спосіб нанесення корозійностійкого покриття на металеві поверхні деталей / Г.М. Франчук, М.О. Васильєв, В.Д. Хижко, Є.О. Бовсуновський; Заявку подано 11.04.2005, опубл. 15.11.2005., бюл. №11.

5. Бовсуновський Є.О., Франчук Г.М. Математична модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул // Вісник НАУ. - 2005. - № 4. - С. 134 - 138.

6. Бовсуновський Є.О., Франчук Г.М .Екологічно чисті процеси експлуатації авіаційної та ракетно-космічної техніки // Екологія і ресурси: Зб.наук.праць Інституту проблем національної безпеки. - К.: ІПБН, 2006. - № 14. - С. 30 - 35.

7. Франчук Г.М., Бовсуновський Є.О. Підвищення ефективності та екологічної безпеки авіатранспортних процесів // Авіа-2001: Матеріали ІІІ міжнародної науково-технічної конференції (24 - 26 квітня 2001 р.), - К.: НАУ, 2001. - С. 17.1 - 17.3.

8. Франчук Г.М., Бовсуновський Є.О. Еколого-економічні проблеми діагностики елементів авіаційної техніки // Безпека життєдіяльності людини. Освіта, наука, практика: Матеріали І Всеукраїнської науково-методичної конференції (29 - 30 січня 2002 р.). - К.: НАУ, 2002. - С. 109 - 110.

9. Франчук Г.М., Бовсуновський Є.О., Драч О.Ю. Нові екологічно чисті технології ремонту авіаційної техніки // Безпека життєдіяльності людини. Освіта, наука, практика: Матеріали ІІ Всеукраїнської науково-методичної конференції (18 - 19 березня 2003 р.). - К.: НАУ, 2003. - С. 201 - 203.

10. Франчук Г.М., Бовсуновський Е.О., Маджд С.М. Драч О.Ю. Перспективні природоохоронні технології в аерокосмічній галузі // Міжнародна науково-практична конференція „Проблеми управління якістю підготовки фахівців - екологів у світлі інтеграції освіти України в Європейський простір та перспективні природоохоронні технології”: Тези доповідей. - Львів: Львівська політехніка, 2003. - С. 36.

11. Бовсуновський Є.О., Франчук Г.М., Хижко В.Д. Моделювання екологічно чистих процесів відновлення деталей авіаційної техніки // Авіа-2004: Матеріали VІ міжнародної науково-технічної конференції (24 - 26 квітня 2004 р.), - К.: НАУ, 2004. С. 44 - 48.

12. Бовсуновський Є.О., Франчук Г.М., Хижко В.Д. До проблеми моделювання екологічно чистих способів інтенсифікації процесів відновлення деталей авіаційної техніки // Політ-2004: Матеріали IV міжнародної наукової конференції студентів та молодих учених ( квітень 2004 р.). - К.: НАУ. 2004. - С. 117.



Анотація

Бовсуновський Є.О. Розробка екологічно безпечних технологічних процесів очищення та антикорозійної обробки елементів авіаційної техніки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. - Національний авіаційний університет. - Київ, 2007.

Дисертацію присвячено важливій науково-прикладній задачі в галузі екологічної безпеки, яка полягає у розробці екологічно безпечних технологічних процесів очищення та антикорозійної обробки елементів авіаційної техніки.

Проведено деталізацію умов формування екологічної безпеки при використанні традиційних методів очищення, обґрунтовано екологічну безпечність та можливість інтенсифікації взаємодії рідких аерозольних частинок з шаром забруднення, виконано дослідження процесу очищення аерозольними газодинамічними потоками, встановлено залежності ефективності очищення від робочих параметрів потоку.

Розроблено екологічно безпечну технологію очищення елементів авіаційної техніки за допомогою аерозольного газодинамічного суспензійного способу обробки, теоретично досліджено процес впровадження компонентів природного корозійностійкого матеріалу в металічні поверхні, а також явище підвищення корозійної стійкості поверхонь металів після обробки різними робочими сумішами.

Розроблено математичну модель теплофізичного стану поверхні матеріалів під дією потоку крижаних гранул на основі розв'язків систем диференційних рівнянь руху двофазного середовища, визначено, що обробка потоком крижаних гранул не знижує екплуатаційні характеристики поверхонь елементів авіаційної техніки.

Ключові слова: авіаційна техніка, оцінка ризику, очищення, аерозоль, суспензія, антикорозійна обробка, крижані гранули.



Аннотация

Бовсуновский Е.А. Разработка экологически чистых технологических процессов очистки и антикоррозионной обработки элементов авиационной техники. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. - Национальный авиационный университет. - Киев, 2007.

Диссертация посвящена важной научно-прикладной задаче в области экологической безопасности, связанной с разработкой экологически чистых технологических процессов очистки и антикоррозионной обработки элементов авиационной техники.

В работе проведена детализация условий формирования экологической безопасности при использовании традиционных способов очистки поверхностей элементов авиационной техники, рассчитаны уровни экологического риска и продемонстрирована опасность использования этих способов.

Проанализирована возможность использования аэрозольных потоков для улучшения показателей эффективности и экологической безопасности процессов очистки. На основании теоретических исследований получена зависимость силы, которая подрывает слой загрязнения от скорости взаимодействия жидкой аэрозольной частички с поверхностью материала (с учетом скорости растекания жидкости), а также от напряженности внешнего электрического поля. В процессе исследований получены зависимости влияния рабочих параметров экспериментальной аэрозольной установки (давление на входе в сопло, расстояние от среза сопла до поверхности образца, концентрация абразивных частичек в рабочей суспензии). Определены параметры работы аэрозольной газодинамической установки: давление воздуха на входе в сопло (2,5 - 5)105 Н/м, расход рабочей суспензии (1 - 1,5)10-3 кг/с, расстояние от среза сопла до поверхности детали (4 - 6)10-2 м, угол наклона оси потока к поверхности 40 - 60°, характерное соотношение твердой и жидкой фаз 1:5 до 1:2 за массой. Установлено, что при соблюдении предложенных режимов работы можно получить эффект одновременной очистки от загрязнения и антикоррозионной обработки поверхности элементов авиационной техники.

Проведены экспериментальные исследования процесса нанесения антикоррозионного покрытия, компонентами которого являются экологически безопасные природные материалы. Для определения химического состава и толщины коррозионностойкого покрытия использован метод оже - спектроскопии, на основе экспериментальных данных которого рассчитаны средние глубины залегания коррозионностойких соединений (оксид алюминия - 0,6352 мкм и кремния - 0,3191 мкм). Отмечена двухслойная структура покрытия. Определены зависимости скорости коррозии различных материалов подложки от состава рабочей суспензии.

Разработана математическая модель теплофизического состояния поверхности материалов под воздействием потока ледяных гранул. Получено уравнение зависимости температуры поверхности материала в зоне контакта с ледяной гранулой от параметров аэрозольного потока (скорость ледяных гранул). Установлена возможность управления температурой в зоне контакта, следовательно, и степенью воздействия аэрозольного потока ледяных гранул на металлические поверхности. Это позволяет расширить границы использования данного метода очистки на производстве.

На основе результатов исследований внесены изменения в технологическую карту восстановления элементов авиационной техники (заменено промывание крепления горячей части авиадвигателя в органических растворителях на очистку аэрозольным газодинамическим суспензионным способом) на ГП „Завод 410 ЦА”.

Ключевые слова: авиационная техника, оценка риска, очистка, аэрозоль, суспензия, антикоррозионная обработка, ледяные гранулы.

Summary

Bovsunovsky J.O. The development of ecologically safe technological processes of cleaning and anticorrosive processing of aircraft elements. - Manuscript.

Dissertation for obtaining the scientific degree of Candidate of technical sciences for the specialty 21.06.01 - Ecological safety. - National aviation university. - Kyiv, 2007.

The dissertation is devoted to the important scientific applied problem in the field of ecological safety, which involves the development of environmentally safe technological processes of cleaning and anticorrosive processing of aircraft elements.

The detailing of the environmental safety conditions' formation is held using traditional cleaning method. Ecological safety and the possibility of intensification of liquid aerosol particles interaction with contamination layer are proved. Research of cleaning process by aerosol gaseous dynamic flows is made. The dependence of the cleaning effectiveness on the running parameters of the flows is determined.

The ecologically safe technology of the aircraft elements' cleaning by aerosol gaseous dynamic suspension method of processing is developed. Theoretically analyzed the process of implementation of natural components of corrosion-resistant material in metal surface and also the phenomenon of rising corrosion resistance of metals' surfaces after the processing by different working mixtures.

...