Водные составы и способы очистки высокопрочной стали
Изобретение может быть использовано, например, в авиационной промышленности для очистки газовых турбин в горячем состоянии от органических и неорганических остатков продуктов сгорания. Сущность изобретения: предложены водные составы и способы удаления остатков от сгорания со стальных изделий с использованием указанных составов, содержащих этоксилированные амины, этилендиаминотетрауксусную кислоту и деминерализованную воду с проводимостью не более 0,9 мкОм. Предложенные составы отвечают критериям испытания на потенциал водородного охрупчивания по стандарту ANSI (ASTM F519-77). 4 c. и 13 з. п. ф-лы, 1 табл.
Предложены водные растворы для очистки высокопрочных сталей, в частности, очистки газовых турбин в горячем состоянии.
Как известно, в процессах, связанных с сжиганием, всегда образуются отложения углерода, и эти отложения вместе с другими веществами, которые остаются после сжигания топлива, всегда представляют проблему их удаления из двигателя и соответствующих деталей. Большая часть этих отложений и выходит вместе с выхлопным газом, однако невозможно исключить накопление отложений с течением времени. На стороне впуска воздуха в двигатели отложения также образуются из-за присутствия примесей в самом потоке входящего воздуха. Такое загрязнение постепенно уменьшает объем потока воздуха в двигателе и вредно влияет на сам процесс горения, в результате на "горячей" стороне двигателей будет образовываться больше отложений сажи. После процесса горения почти невозможно исключить отложения, таким образом в зоне горения, а также на смежных деталях и смежных трубопроводах будут постепенно накапливаться неизбежные отложения, например, постоянные остатки от сжигания кокса. Отложения состоят в основном из несгоревших компонентов топлива, а также негорячих соединений углерода, смолистых и зольных веществ, соединений серы и т. п. , которые, до некоторой степени, химически связаны друг с другом и частично образуют слои на деталях двигателя с последующим образованием постоянного покрытия, например, в форме коксовых остатков. Такие отложения трудно поддаются удалению и обычно их удаляют во время периодических капитальных ремонтов двигателя, когда двигатель демонтируют и очищают вручную посредством шабровки и полирования вместе с вторичной очисткой от отложений. Такой капитальный ремонт двигателя является достаточно трудоемкой операцией, и он требует выключения двигателя на значительный период времени. В случае с двигателями для морских судов очень важно исключить такой капитальный ремонт двигателя, когда судно находится в море, поскольку такой капитальный ремонт двигателя означает значительные потери ценного времени особенно для больших судов. Текущий ремонт двигателя с очисткой необходимо проводить в установленные интервалы времени не только для уменьшения износа деталей двигателя, но во многом для сокращения расхода топлива. Когда двигатель загрязнен, значительно увеличивается расход топлива частично в результате изменения геометрии камеры горения из-за образования отложений и остатков, и частично в результате износа деталей и последующей утечки из них топлива благодаря тому факту, что клапанные детали засоряются, поэтому возможна через них утечка, что приводит к увеличению расхода топлива или изменению в процессе горения, но в основном это происходит из-за уменьшенной подачи кислорода в результате засорения системы подачи воздуха в двигателе. Основное достижение в этой области техники раскрыто в патенте Великобритании N 1342077. В этом патенте раскрыт состав, содержащий катионное или неионное поверхностно-активное вещество, предпочтительно этоксилированный амин, например, Ethomeen (фирмы Армур энд Компани Кемикл Дивижн) и кислые фракции дегтя, имеющие температурный предел кипения 200-280oC, в частности технический крезол, вместе с деионизированной или диминерализованной водой и уксусной кислотой для регулирования pH. Эту конкретную очищенную среду используют наиболее успешно с момента ее внедрения в промышленность. Однако она имеет недостаток в том, что не может гарантировать очистку газовых турбин, когда эти турбины находятся в горячем состоянии, т.е. во время работы в режиме двигателя или в режиме вращения турбины. Следующие патенты США, N 3535160, 2955047, 293711, 2671036, 2471390, 2356747, 2347983 и 2032174 включены для справки. Однако эти патенты не имеют отношения к настоящим усовершенствованиям. В 1977 г. Американское Общество по испытанию и материалам опубликовало стандарт ANSI/ASTM F 519-77, касающийся механических испытаний и испытаний на водородное охрупчивание для процессов металлизации и химических составов для авиационного оборудования. До раскрытого здесь настоящего изобретения отсутствовало какое-либо комбинированное очищающее средство для газовых турбин с замкнутым циклом, которое бы отвечало указанным стандартам. Известно, что когда очень горячие стали подвергают обработке определенным водным раствором, то образуется небольшое количество водорода, который, в свою очередь, делает сталь хрупкой. Не говоря уже о том, что такое охрупчивание может привести к разрушительным последствиям в газовых турбинах, особенно в тех, которые применяют в авиационных двигателях. Эта область рассматривается в публикации "Уитни Аворд Лектуре", 1987, Р.А. Ориани (Коррозия, 390, 1987). Для справки включено это испытание согласно стандарту ASTM. Также для справки указана и упомянутая публикация. Некоторые, имеющиеся в продаже растворители или водные растворы для очистки газового тракта и газотурбинных двигателей требуют охлаждения двигателя. См., например, бюллетень G 28 M, опубликованный фирмой Б. энд Б.Кемикэл, Инк., в котором описан очищающий состав Band B 3100, который требует охлаждать двигатель до температуры 150oF (65, 56oC) до нанесения очищающего раствора. Указано, что этот водный очиститель можно применять как в режиме работы двигателя, так и в режиме вращения газовых турбин. Указано, что состав Aeromarine TC 200 (Америкэн Аэромарин Инк, Форт Лаудердаль, Филадельфия) можно применять как в режиме вращения, так и в двигательном режиме газовых турбин. Не указано, что этот состав отвечает техническим условиям ASTM, только отмечено, что применяемая деионизированная вода должна иметь проводимость 5,0 мкОм или выше. Очиститель Penetone 19 для компрессора газовой турбины (Амерасе Корпорейшн ов Тенафлай, Нью Джерси) можно использовать в сочетании с очисткой паром на входе в газотурбинный двигатель. Ясно, что он не предназначен для применения в двигательном режиме или режиме вращения и рекомендуется применять окончательную промывку водой. Заявлена система "Fyrewash Rochem "GTE-CC" для применения на авиационных газотурбинных двигателях в рабочем режиме. В опубликованных спецификациях не указано, что он отвечает упомянутому стандарту ASTM. Химические составы этих очистителей, имеющихся в настоящее время в продаже, а не тех, которые раскрыты в упомянутом патенте, не являются зарегистрированным фактом. Было обнаружено, что очищающий раствор, приготовленный в соответствии с упомянутым патентом Великобритании и испытанный в соответствии с способом испытания ASTM F-519, вызывает повреждение образцов за отрезок времени между 8 и 10 ч. Поскольку испытание согласно стандарту ASTM требует, чтобы разрушение не происходило меньше, чем за 150 ч, то этот раствор не отвечает требованиям указанного стандарта. Предложен улучшенный водный состав для химической очистки и удаления органических и неорганических остатков от сгорания со стальных изделий, который отвечает требованиям испытания на водородное охрупчивание согласно стандарту ANSI/AS TM F 519-77. В концентрированной форме состав состоит в основном из: A) этоксилированных аминов формулы:
Общее количество - 2753,4 кг
* - - Указанного выше типа
Из указанного концентрата в количестве 3,53 кг приготовляют 110 л рабочего раствора для применения при температуре выше + 5oC. В окружающей среде при температуре ниже + 5oC , но выше - 20oC между 20 и 25% конечного состава составляет этиленгликоль. В соответствии с указанным химическим составом, но применяя Ethylon TC вместо Ethomeen C25, получают продукт подобного качества. Аналогично, в соответствии с указанным составом, но применяя аскорбилпальмитат вместо этилендиаминотетрауксусной кислоты, получают продукт подобного качества. Возможны другие различные замены, а также различное применяемое количество при условии, что конечный состав будет удовлетворять требованиям испытания ASTM. Пример 2. Применение очистителя для авиационной турбины. Промывочную жидкость (разбавленную) из примера 1 загружают в компрессор RM-C, оснащенный баком емкостью 25 галлон патрубком с соплом. Патрубок с соплом прикрепляют к капоту двигателя Роллз Ройс Дарт посредством двух зажимов капота. Оснастку для промывки размещают под оконечностью крыла самолета и к стойке шасси прикрепляют шланг. В бак загружают 6 галлон промывочной жидкости и бак затем закрывают. После этого включают двигатель, который вращается со скоростью 8000 об/мин при 100% загрузке топлива. Включают компрессор и впрыскивают промывочную жидкость со скоростью 1,5 галлон мин под давлением 40 фунтов/кв.дюйм. Спустя 4 мин компрессор включают. Затем скорость двигателя увеличивают до 8000 об/мин. Когда поток промывочной жидкости из двигателя прекращается, двигатель выключают, удаляют патрубок с соплом, и двигатель продолжает работать при 13000 об/мин в течение 15 мин при 0% загрузке топлива. После этого двигатель выключают. Рекомендуется промывать авиационную газовую турбину описанным способом в среднем каждые 15 рабочих часов. Это может увеличивать допускаемое время между капитальными ремонтами, необходимое для текущего ремонта на взлетно-посадочной полосе, примерно на 2500 ч. Должно быть ясно, что в объеме изобретения возможна добавка в состав всех обычных присадок, ингредиентов или компонентов при условии, что конечный концентрированный или разбавленный состав будет отвечать требованиям испытания ТМ для тех применений, где должны удовлетворяться требования стандартов. Из описанного специалисту станет ясно, что это изобретение вносит значительный вклад в технологию, в частности в обеспечении безопасности в авиационной и в космической отраслях для промышленных и других применений. Как описано в упомянутой публикации - Уитней Аворд Лекче, вредные эффекты водорода на сталь включают в себя образование раковин и отслаивание. Это может быть следствием напряжений, образующихся при выделении растворенного водорода во время охлаждения стали от температуры горячей ковки. Раковины могут быть также вызваны зарядом водорода в стали при приложении катодного тока или в результате реакции при коррозии. Во всех этих случаях образуется внутри растворенный водород при очень высокой термодинамической активности, таким образом, газообразный молекулярный водород с очень высокой летучестью выделяется в существующих микротрещинах и пустотах в стали. Связанное с этим большое механическое давление газа водорода вызывает увеличение этих дефектов в стали при пластической деформации или разрушении. Легко можно понять, какими могут быть опасными и коварными вредные эффекты водорода на сталь, и этот прогресс в технологии, обеспечиваемый настоящим изобретением, вносит вклад в решение этой серьезной проблемы и вообщем в безопасность.
Формула изобретения

где R - C6 - C12-алкильная группа;
x, y - целые числа, сумма которых равна 2 - 50,
а в качестве воды - деминерализованную воду с проводимостью не более 0,9 мкОм при следующем соотношении компонентов, мас.%
Этоксилированные амины - Более 95
ЭДТА - 0,1 - 1,5
Деминерализованная вода - Остальное
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в этоксилированных аминах формулы I x + y = 8 - 20. 3. Состав по п.1, отличающийся тем, что в этоксилированных аминах формулы I x + y = 14 - 16. 4. Состав по п.1, отличающийся тем, что рН 7 - 9. 5. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит этоксилированные амины формулы I более 95 мас.%, ЭДТА - не менее 0,5 мас.% и деминерализованную воду - остальное. 6. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит ионы минералов, мас. ч. на 1 млн. : свинец - менее 0,5; натрий - менее 5,0; калий - менее 3,0; двуокись кремния - менее 1,0; медь - менее 0,5; марганец - менее 0,05; железо - менее 1,0 и фосфор - менее 5,0. 7. Состав по п.6, отличающийся тем, что он содержит при рН 7 - 9 более 95 мас. % этоксилированных аминов формулы I, где R - C12 - C18-алкильная группа; x + y = 14 - 16, более 0,5 мас.% ЭДТА и деминерализованную воду - остальное. 8. Водный состав для удаления органических и неорганических остатков от сгорания со стальных изделий, преимущественно морозостойкий состав для удаления остатков от сгорания при температуре окружающей среды ниже 0oС, включающий аминсодержащее вещество, отличающийся тем, что он дополнительно содержит антифриз, выбранный из группы, включающей низшие C1 - C6-алканолы, низшие алкиленгликоли, в которых алкилен имеет цепь с 2 - 6 атомами углерода, а в качестве аминсодержащего вещества - композицию на основе этоксилированного амина - более 95 мас.% этоксилированных аминов формулы I

где R - C6 - C20-алкильная группа;
x, y - целые числа, сумма которых равна 8 - 20,
более 0,5 мас.% ЭДТА и деминерализованную воду с проводимостью не более 0,9 мкОм - остальное при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Антифриз - 20 - 25
Композиция на основе этоксилированного амина - от примерно 2,4 до примерно 3,4
Вода деминерализованная - Остальное
9. Состав по п.8, отличающийся тем, что в качестве антифриза он содержит метанол, этанол или этиленгликоль. 10. Состав по п.8, отличающийся тем, что рН 7 - 9. 11. Состав по п.10, отличающийся тем, что он содержит, мас.ч. на 1 млн.: свинец - менее 0,06; натрий - менее 0,6; калий - менее 0,06; двуокись кремния - менее 0,03; медь - менее 0,09; марганец - менее 0,01; железо - менее 0,4; фосфор - менее 0,6. 12. Способ удаления органических и неорганических остатков от сгорания со стальных изделий, преимущественно при очистке деталей газового тракта в компрессоре газовой турбины, находящейся в горячем состоянии, включающий обработку изделия аминсодержащим составом, отличающийся тем, что обработку ведут путем распыления на изделия под давлением состава по п.1 при его концентрации от примерно 2,4 до примерно 3,4 мас.%. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что обработку ведут в двигательном рабочем режиме, при этом давление составляет 3,16 - 3,52 кг/см2. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что обработку ведут во вращательном рабочем режиме, при этом давление составляет 3,52 - 7,03 кг/см2. 15. Способ удаления органических и неорганических остатков от сгорания со стальных изделий, преимущественно при очистке деталей газового тракта в компрессоре газовой турбины, находящихся в горячем состоянии, при температуре окружающей среды ниже 0oС, включающий обработку изделий аминсодержащим составом, отличающийся тем, что обработку ведут путем распыления на изделие под давлением состава по п.8, при его концентрации от примерно 2,4 до примерно 3,4 мас.%. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что обработку ведут в двигательном рабочем режиме, при этом давление составляет 3,16 - 3,52 кг/см2. 17. Способ по п.15, отличающийся тем, что обработку ведут во вращательном рабочем режиме, при этом давление составляет 3,52 - 7,03 кг/см2.
РИСУНКИ
Рисунок 1