Текст приводится в сокращении по изданию «Судостроительная промышленность» (С-Пб, ЦНИИ СМ, № 1 (37), дек. 2013).

А. В. Герасимов, канд. техн. наук; Ю. С. Веселов, канд. техн. наук; Н. М. Петров;
Ю. Ю. Баженов; Р. М. Барышников

Приведены результаты исследований и опытной эксплуатации фильтрующих

элементов из нержавеющей стали в составе титанового блока фильтров

МЛСП «Приразломная»

Состояние вопроса

В 2004 г. ЗАО «ЦНИИ судового машиностроения» выиграло конкурс на разработку и поставку блока фильтров очистки морской воды для уникального объекта - Морской ледостойкой платформы (МЛСП) «Приразломная». Согласно ТЗ, разработанному проектантом платформы ЦКБ МТ «Рубин», блок фильтров должен обеспечивать очистку морской воды с тонкостью фильтрации 80 мкм и с расходом до 13000 м³/ч. В то время в России не было практического опыта проектирования и строительства нефтедобывающих платформ для работы в экстремальных природных условиях Арктики. Соответственно, не было и опыта разработки фильтров для очистки морской воды столь масштабной производительности.

По результатам проектирования блок фильтров представлял собой 8 цилиндрических корпусов из титанового сплава ПТ ЗВ, смонтированных на единой раме, и связанных между собой трубопроводами, арматурой и системой автоматического управления. Основные функциональные элементы блока фильтров - это фильтрующие элементы (ФЭЛ), закрепленные на трубных перегородках внутри каждого корпуса. Для комплектации блока фильтров были выбраны титановые ФЭЛ, применяемые в атомной энергетике. ФЭЛ представляет собой цилиндрический каркас, на который навита предварительно деформированная титановая проволока. Зазор между соседними витками составлял 80 мкм, что и должно было обеспечить требуемую тонкость фильтрации. В каждом корпусе фильтра установлены 160 ФЭЛ. Расчетная пропускная способность одного ФЭЛ составляет 10 м³/ч, а расчетная производительность всего блока - 12800 м³/ч.

В 2005 г. блок фильтров был изготовлен в ОАО «Пролетарский завод» и отгружен на МЛСП «Приразломная» (рис. 1). Наладочные испытания по проверке работоспособности блока фильтров на платформе начались только в 2012 г., то есть спустя почти 7 лет после его изготовления.

Рисунок 1. Буксировка МЛСП «Приразломная»

При пробных пусках блока фильтров с расходом воды 300 м³/ч были установлены: недопустимо высокая скорость роста гидравлического сопротивления в фильтрах и слишком короткий период между соседними промывками (фильтроцикл) - менее 3 ч вместо минимально необходимой по проекту продолжительности 8 ч. (рис. 2).

Рисунок 2. Динамика изменения гидравлического сопротивления фильтра со штатными (титановыми) ФЭЛ

С позиций гидродинамики основным фактором гидравлических потерь в фильтре являются слишком узкие (80 мкм) фильтровальные щели ФЭЛ. На чистых фильтрах гидравлические потери сравнительно невелики (менее 0,01 кгс/см ). Однако после накопления на поверхности фильтра задержанных примесей реальный размер щели и суммарный «просвет» каждого ФЭЛ резко уменьшается, а линейная скорость потока воды 'в щелях резко возрастает, что и обуславливает рост гидравлического сопротивления. Кроме того, установлено, что фактический уровень загрязнения морской воды в акватории платформы более чем в 20 раз превышает номинальное значение (по ТЗ - не более 10мг/л, а фактически - до 230 мг/л).

Были рассмотрены четыре варианта доработки фильтрующих элементов. Анализ этих вариантов показал, что доработка существующих титановых ФЭЛ с целью увеличения размера фильтровальной щели принципиально возможна, однако, каждый из рассмотренных вариантов требует значительных материальных затрат на отработку технологии и экспериментальные проверки. При этом быстрый положительный результат не может быть гарантирован. В связи с изложенным, была рассмотрена возможность применения серийно выпускаемых ФЭЛ из нержавеющей стали с шириной фильтрующей щели порядка 400...500мкм взамен штатных титановых ФЭЛ с узкой фильтровальной щелью.

ФЭЛ с клиновидной фильтровальной щелью

Использование фильтрующих элементов, имеющих клиновидный фильтрующий зазор, является одной из самых перспективных технологий фильтрации различных жидкостей, в том числе, и морской воды. Процесс фильтрования идет через специальный профиль, образуемый проволокой треугольного сечения, намотанной на проволочную конструкцию - стрингер. Закономерность фильтрования на ФЭЛ с треугольной фильтровальной щелью заключается в образовании над соседними острыми кромками щели фильтровальных мостиков (так называемый эффект Коберли). При этом мостик (рис. 3), состоящий из частиц размером 1/3 от ширины щели, удерживает проникновение мелких и крупных частиц внутрь ФЭЛ и обеспечивает «незабиваемость» фильтра.

Рисунок 3. Схема образования фильтровального мостика (эффект Коберли)

 

Преимуществами щелевых ФЭЛ являются: высокая проницаемость, низкое гидравлическое сопротивление, способность к самоочистке и др. Щелевые фильтры сегодня широко применяются в стационарной практике, например, в атомной энергетике для доочистки питательной воды АЭС и на зарубежных судах для фильтрации морской воды.

Фильтрующий элемент из нержавеющей стали с размером щели 400±5 мкм освоен в серийном производстве в ООО «Производственное предприятие «ТЭКО-ФИЛЬТР» (рис. 4).

Рисунок 4. Конструкция и внешний вид ФЭЛ «ТЭКО-ФИЛЬТР»

Наружная поверхность ФЭЛ выполнена полированной, что способствует самопроизвольному сползанию накопившегося осадка под действием силы тяжести как в режиме фильтрации, так и в режиме регенерации (эффект самоочистки). ФЭЛ «ТЭКО-ФИЛЬТР» положительно зарекомендовали себя в атомной энергетике при работе на пресной воде, опыта их использования на морской воде до настоящего времени не было.

Ввиду отсутствия промышленно освоенных титановых ФЭЛ с требуемой фильтровальной щелью специалистами ЗАО «ЦНИИ СМ» было предложено применить нержавеющие ФЭЛ «ТЭКО-ФИЛЬТР» для комплектации блока фильтров МЛСП «Приразломная». Данное предложение было поддержано заказчиком ООО «Газпром нефть шельф» и строителем платформы ОАО «ПО «Севмаш». При этом особое внимание было уделено анализу возможности электролитической коррозии при контакте нержавеющей стали и титана и прямой коррозии нержавеющей стали в морской воде.

 

Лабораторная проверка фильтрующей способности и коррозионной стойкости ФЭЛ

Проверка фильтрующей способности ФЭЛ выполнялась на лабораторном стенде (рис.5), при этом обеспечивалось измерение основных параметров ФЭЛ: интенсивности накопления грязи на поверхности частиц, равномерности зарастания фильтра, эффективности регенерации, продолжительности фильтроцикла и др.

Рисунок 5. Стенд для испытаний ФЭЛ на ООО «ПП «ТЭКО-ФИЛЬТР»

Испытания проводились на имитате морской воды, в качестве замутнителей в воду добавлялись: молотый кварцевый песок, угольная пыль, пищевой желатин, ионообменная смола и др. Результаты испытаний подтвердили принципиальную работоспособность ФЭЛ из нержавеющей стали данной конструкции. Разработка и освоение производства титановых ФЭЛ со щелью 400 мкм потребует длительного времени и значительных материальных затрат.

Для оценки коррозионной стойкости нержавеющих ФЭЛ в морской воде были приняты во внимание результаты ранее выполненного в ЗАО «ЦНИИ СМ» длительного эксперимента по изучению стойкости нержавеющей стали в имитате морской воды. В стеклянную колбу объемом 150 мл был помещен образец из стали 08Х18Н10Т в виде цилиндра диаметром 18 мм и длиной 100 мм (рис. 6 и 7). Колба была заполнена раствором морской соли для ванн с общим солесодержанием 35 г/л, что соответствует стандартной солености морской воды. Стеклянная колба хранилась при комнатной температуре в спокойных условиях - без перемешивания раствора и без динамических воздействий на колбу в течение 1486 суток, то есть более 4 лет. Начальная масса образца составляла 196,31 г, конечная масса - 195,85 г, потеря массы - 0,46 г.

Таким образом, растворение массы металла происходило с интенсивностью 0,06 % в год. Ориентировочный расчет, выполненный из предположения о равномерном растврорении металла по глубине образца, показал, что скорость коррозии металла в эксперименте составила 0,046 мм за 4 года, что составляет примерно 0,011 мм/год. Согласно ГОСТ 13819-68, полученная в эксперименте скорость коррозии характеризует сталь как «стойкую» с оценкой 4 балла по 10-бальной шкале коррозионной стойкости.

Рисунок 6. Образец до начала

Рисунок 7. Образец после

 

Применительно к ФЭЛ из нержавеющей стали 08Х18Н10Т или 12Х18Н10Т можно ожидать, что в натуральной морской воде Баренцева моря медленный процесс коррозии металла также неизбежен и, возможно, он будет даже более интенсивным. Предположительно, в первую очередь будет растворяться наиболее «тонкое» место - острая кромка клиновидной проволоки. Тогда, исходя из ожидаемой скорости коррозии порядка 0,01...0,05 мм/год, возможно расширение фильтровальной щели со скоростью от 20 до 100 мкм в год за счет растворения металла. Однако, одновременное действие факторов, тормозящих коррозию, например, биологическое обрастание кромок, напротив, будет способствовать сужению щели. Какой из этих процессов будет доминировать - пока неясно. Эти закономерности требуют дополнительного изучения.

Для оценки коррозионной стойкости нержавеющего ФЭЛ, контактирующего в морской воде с титановыми металлоконструкциями, в лаборатории ЗАО «ЦНИИ СМ» был поставлен эксперимент, суть которого состояла в следующем. В стеклянную емкость объемом 1 л, заполненную имитатом морской воды с общим солесодержанием 35 г/л, поместили фрагмент фильтрующей части серийного ФЭЛ, соприкасающийся с титановой деталью из сплава ПТ ЗВ (рис. 8).

Рисунок 8. Фрагмент ФЭЛ (сверху) в контакте с титановой деталью (снизу)

Эксперимент продолжался 270 суток при естественной температуре помещения (15...25 °С). К концу эксперимента на фрагменте ФЭЛ обнаружены едва заметные визуально признаки начала коррозии в виде отдельных коллоидных частиц гидроокиси железа, примыкающих к месту контакта разнородных материалов.

Геометрические размеры фрагмента ФЭЛ и титановой детали оставались без изменений. Поведение нержавеющего ФЭЛ в контакте с титановым фильтром требует дальнейших наблюдений.

Защита от электрохимической коррозии

Оценка возможности и интенсивности электрохимической коррозии при контакте в морской воде титана (трубная доска и корпус фильтра) и нержавеющих ФЭЛ выполнена согласно требованиям ГОСТ «Допустимые и недопустимые контакты металлов». При оценке учитывались: марки металлов, соленость воды и соотношения площадей анода и катода.

Применительно к конструкции фильтра анодом является нержавеющая сталь, а катодом - титан. Поверхности металлов, контактирующие через морскую воду внутри корпуса фильтров, ориентировочно составляют: нержавеющая сталь (анод) - 22,6 м² (без учета собственной поверхности клиновидной проволоки), титан (катод) - 8, 5 м².

С учетом того, что площадь анода почти в три раза превышает площадь катода, можно предположить, что контакт нержавеющей стали с титаном в данном случае допустим, а интенсивность коррозии, скорее всего, будет невелика.

С целью уменьшения электрохимической коррозии на границе непосредственного контакта разнородных металлов (титан - нержавеющая сталь) было рекомендовано установить 4 изолирующие прокладки из фторопласта между опорной пятой ФЭЛ и трубной доской. Кроме того, боковую поверхность отверстий в трубной доске рекомендовано окрасить лакокрасочным покрытием, стойким в морской воде, например, лаком ХС-724, эмалью ХС-436, эмалью ЭП-1236 и др.

 

Опытная эксплуатация нержавеющих ФЭЛ на МЛСП «Приразломная»

Эксплуатация опытной партии ФЭЛ из нержавеющей стали в количестве 480 штук проводилась на МЛСП «Приразломная» в течение 6 месяцев в период с декабря 2012 г. по май 2013 г.

Согласно инструкции, разработанной ЗАО «ЦНИИ СМ», испытаниям подвергались три фильтра первой линии: Ф1, Ф2 и ФЗ. Морская вода с расходом около 3000 м³/ч фильтровалась одновременно через два фильтра: Ф1 и Ф2 , фильтр ФЗ находился в резерве. В ходе эксплуатации контролировались: гидравлическое сопротивление каждого фильтра в течение фильтроцикла 24 ч, мутность воды на входе (М₁), мутность воды на выходе (М₂), эффект фильтрации R = ((М₁- М₂)/М₁) х100 %.

На момент подготовки настоящей статьи испытания еще не закончены, однако полученные предварительные результаты позволили выявить некоторые закономерности процесса фильтрования натуральной морской воды Баренцева моря:

• в течение фильтроцикла продолжительностью 24 ч гидравлическое сопротивление каждого фильтра незначительно возрастало от 0,06 кгс/см² до 0,065 кгс/см² и далеко не достигало предельно допустимого значения 0,5 кгс/см²;
• эффект фильтрации R (рис.9) в течение фильтроцикла характеризовался процессами выхода на режим (зона 1), формирования на поверхности ФЭЛ фильтрующего слоя и фильтрующих мостиков (зона 2) и динамического равновесия между образованием и постепенным разрушением (сползанием) фильтрующего слоя (зона 3);

Рисунок 9. Изменение эффекта очистки воды (R) за фильтроцикл

• характер изменения R для фильтров Ф₁ и Ф₂ идентичен, среднее значение R составляло 40...45%, что свидетельствовало о работоспособности фильтров как средства грубой очистки морской воды;
• явных признаков коррозионного разрушения ФЭЛ пока не выявлено.

Однако остаются невыясненными еще ряд вопросов. Каков реальный срок службы ФЭЛ до полного исчерпания им своей работоспособности и другие. Корректные ответы на все вопросымогут быть полчены только по результатам длительной эксплуатации блока фильтров на натуральной морской воде в составе МЛСП «Приразломная».

 

______________

* Литература:
"Петров Н. М., Герасимов А. В., Веселов Ю. С, Болтенков В. В., Ткач Д„Б., Бень Е. А. Блок фильтров грубой очистки забортной воды//Научно-технический сборник «Судостроительная промышленность» серии: Технология и организация производства. 2006. С. 132."

---