При изготовлении и эксплуатации оборудования важно иметь представление о составе и свойствах нержавеющих сталей и об основных причинах возникновения в них коррозионных процессов.

Взаимодействие системы «продукт-материал» оценивается и регламентируется Минздравсоцразвития России с точки зрения охраны здоровья потребителя. При этом для каждого вида продукта имеются материалы, разрешенные или запрещенные к применению. Например, медь запрещена к применению в оборудовании молочных заводов и разрешена к применению в оборудовании кондитерского производства; алюминий разрешен к применению в молочной промышленности вообще, но запрещен, в частности, к применению при производстве молочных продуктов для детского питания.

Специфика условий пищевого производства (коррозионно-активные пищевые среды, моющие и дезинфицирующие растворы, повышенная температура, высокая скорость истечения рабочих сред, значительные перепады давления) определяет особые требования к выбору материалов при конструировании технологического оборудования. В связи со всеми этими факторами любые материалы должны быть разрешены для производства конкретных пищевых продуктов.

Наиболее распространенным материалом для изготовления оборудования пищевого производства является так называемая в обиходе «нержавейка», т.е. нержавеющая сталь. Но, к сожалению, даже «нержавеющее» оборудование как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации подвергается коррозии различного вида. Поверхность емкостного оборудования покрывается темным налетом, на полированных поверхностях появляются белесые серые, до темно-серого и даже фиолетового цвета разводы. Надо заметить, что такое поведение «нержавейки» в настоящее время стало встречаться все чаще и чаще, и иногда старое оборудование выглядит лучше, чем новое после непродолжительного времени эксплуатации. Состав и свойства сталей Нержавеющие стали – это сложнолегированные стали, стойкие против коррозии в атмосфере и агрессивных средах. Химические элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств, называются легирующими. Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr, B. По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5 %, среднелегированные – от 2,5 до 10 % и высоколегированные – более 10 % легирующих элементов. Введение в нержавеющие сплавы вышеуказанных легирующих элементов позволяет получить различные виды кристаллической решетки, что дает возможность добиться различных свойств стали. Нержавеющие стали, принадлежащие к средне- и высоколегированным группам, представляют собой хромсодержащие сплавы. Коррозионная стойкость этих сталей в значительной степени объясняется наличием хрома, обладающего способностью пассивироваться, тем самым создавать защитный слой на поверхности металла. Минимальное содержание хрома в стандартной нержавеющей стали не менее 10,5 %. С увеличением количества хрома в сплаве увеличивается его коррозионная стойкость. Для изготовления пищевого оборудования, например, в виноделии, пивном, дрожжевом производстве, хлебопечении и др., рекомендуются хромистые стали, с содержанием хрома не менее 17 %. Использование сталей с содержанием хрома 13 – 14 % для пищевых производств не рекомендуется из-за низкой их коррозийной стойкости. Такие стали во влажно-воздушной среде корродируют с образованием окиси железа. Хромистые сплавы устойчивы для тех сред, в которых они пассивируются и в которых не разрушается их защитная пленка. Для повышения коррозионных свойств в систему сплава железо – хром добавляют никель, во избежание межкристаллитной коррозии сварных швов и зоны нагрева в диапазоне 450 – 850 ?C вводится титан, а для предотвращения точечной коррозии вводится молибден.

Нержавеющие стали кроме коррозионных свойств должны обладать и другими специфическими свойствами – пластичностью, вязкостью, прочностью, гибкостью, хорошей пригодностью к сварке. Наряду с введением легирующих элементов для изменения или стабилизации полученных свойств стали подвергают различного вида термическим обработкам, в связи с чем, применение повышенных температур, как в процессе изготовления, так и эксплуатации оборудования, может изменению свойств металла. В зависимости от введенных легирующих элементов и проведенных термообработок различают четыре основных вида нержавеющих сталей: аустенитные, ферритные, аустенитноферритные и мартенситные. Аустенитная сталь является самым распространенным типом нержавеющей стали, применяемой при изготовлении пищевого оборудования. Эта сталь легируется никелем, (не менее 7 %), титаном, молибденом, марганцем, что придает ей пла- стичность, широкий спектр температурных режимов, немагнитные свойства и хорошую пригодность к сварке. Именно этот тип нержавеющей стали и должен использоваться при изготовлении пищевого оборудования. По назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штамповые, для режущего и измерительного инструмента) и с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, элек- тротехнические, магнитные и др.). Коррозия: виды и причины Разрушение металла под действием окружающей среды называется коррозией. Коррозия обычно начинается с поверхности металла и при дальнейшем ее развитии распространяется вглубь, вызывая изменение состава металла и его свойств. Металл при этом частично либо полностью разрушается, либо же продукты коррозии могут образоваться в виде осадка на поверхности металла. Скорость коррозии металлов в значительной степени зависит от характера воздействующей среды. Процессы коррозии по-разному протекают в кислых, щелочных и нейтральных средах, при повышении температуры коррозионные процессы активизируются, одновременное воздействие агрессивной газовой (воздушной) среды и повышенных температур приводит к интенсивному образованию продуктов корро- зии и, соответственно, изменению свойств металла и внешнего вида оборудования.

В зависимости от характера коррозионного разрушения коррозия мо- жет быть равномерной (сплошной) или неравномерной, т. е. сосредоточенной на отдельных участках. Если коррозия вызывает разрушения только некоторых участков ме- талла, а остальная часть поверхности остается незатронутой, то такой вид коррозии называют местной. Различают следующие виды местной кор- розии:

1) коррозия пятнами – разрушения на отдельных участках распространяются в виде пятен на небольшую глу- бину; такое разрушение более близко к равномерной коррозии;
2) коррозия в виде язв – углубления в металле, сосредоточенные на сравнительно ограниченных участках;
3) точечная коррозия – глубокие местные разрушения в виде точек, которые могут перейти в сквозные;
4) подповерхностная коррозия – разрушения, которые начинаются на поверхности металла и затем переходят под поверхность; продукты коррозии сосредотачиваются под ней, вызывая вспучивание и расслоение металла;
5) избирательная коррозия – разрушает только одну структурную составляющую или один компонент сплава;
6) межкристаллитная коррозия – ее также можно отнести к избирательной коррозии, характеризующейся разрушением металла по границам кристаллитов;
7) транскристаллитная коррозия – в отличие от межкристаллитной, здесь коррозионные разрушения распространяются в глубь металла по телу кристаллитов;
8) коррозионное растрескивание.

Равномерная коррозия представляет собой один из наименее опасных видов коррозии, чаще всего равномерная коррозия не вызывает значительного разрушения металла, тем не менее она может быть нежелательной по причине потускнения или изменения цвета металла. Различные виды местной коррозии происходят в случаях неполной пассивности металла, при неравномерной аэрации углублений, различной концентрации раствора в разных точках, при неоднородной обработке металла.

При точечной коррозии на отдельных участках конструкций или обо- рудования могут образоваться раковины и сквозные отверстия. Точечная коррозия особенно типична для пассивирующихся металлов (хром, алюминий, хромоникелевые стали) и возникает в результате нарушений в отдельных участках пассивирующего слоя, который покрывает поверхность стали и предотвращает возник- новение коррозии. Точечную коррозию стали так же могут вызывать компоненты сталелитейного процесса металлургиче- ского производства – сульфиды. Исследования показали, что причиной такой коррозии является сера, которая имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и, во время литья, в течение короткого времени после того, как сталь укрепилась, попадает в структуру поверхности металлических листов прокатной ста- ли. Эти частицы примеси «всасывают» хром из структуры стали, создавая области (точки) слабости на поверхности нержавейки. Как только подобные соединения достигают внешней поверхности металла, эта область может быть подвержена коррозии точно также как и железо. Именно поэтому нержавеющая сталь – не столь идеальная «нержавейка», как принято считать. Существенное влияние на скорость развития точечной коррозии так же оказывают степень чистоты металла и повышение температуры. Межкристаллитная коррозия очень опасна вследствие разрушения металла по границам кристаллитов. Часто межкристаллитная коррозия не изменяет внешнего вида металла, и разрушение оборудования или детали может произойти неожиданно. При сварке высоколегированных сталей в ряде случаев наблюдается так называемая ножевая коррозия. Опасность возникновения такой коррозии особенно велика в зонах сварного шва. Режим сварки нержавеющих сталей должен быть таким, чтобы участки стали у шва не попадали в область действия опасных температур 450 – 850 ?C, так как в этом интервале и при последующем медленном охлаждении происходит обеднение пограничных участков зерен хромом, возникает процесс депассивации, в результате чего коррозионная стойкость стали резко понижается. Неправильный режим термической обработки в процессе изготовления оборудования или термическое воздействие в опасном интервале (свар- ка, гибка с подогревом и т.д.) вызывает снижение коррозионной стойкости и появление склонности к межкристаллитной коррозии. Склонность к межкристаллитной коррозии можно объяснить так же повышенным содержанием углерода в сплаве и отсутствием титана. Чтобы предотвратить такую коррозию и повысить общую коррозионную стойкость в сталь вводят присадку титана в коли-честве, в 6–7 раз превосходящем содержание углерода. Сварке нержавеющих сталей во всех странах уделяется много внимания, т. к. сварные швы и околошовная зона являются наиболее уязвимыми для коррозии участками. При соблюдении определенных условий удается производить сварку с сохранением коррозионной стойкости швов и околошовной зоны. Сварка должна проводиться в среде инертного газа, шов должен быть ровный, без зазоров, свищей и расслоений, сам шов и околошовная зона должны иметь только «цвета побежалости». Наличие черно-красной окалины говорит о выгорании легирующих элементов и исчезновении коррозионной стойкости. В таких случаях необходимо произвести зачистку сварной зоны и шва и восстановить пассивную пленку химическим путем специальными растворами или пастами. Часто приходится видеть отечественное оборудование из нержавеющей стали со следами коррозии по сварным швам, зонам зачистки швов и различных дефектов поверхности металла (риски, царапины, вмятины). Почему пошла коррозия? Ответ вытекает из всего вышеизложенного в процессе зачистки сняли пассивный слой, а восстановить его или забыли, или просто не знали, как работать с «нержавейкой». Когда такое оборудование попадет на производство – вот тут-то и выявятся все нарушения в технологии работы с нержавейкой. Факторы, влияющие на изготовление и эксплуатацию оборудования Существует много фирм, берущихся за изготовление «нержавеющего» оборудования, их снабженцы ищут для него «нержавейку» «подешевле», но дешево почти всегда не бывает хорошо. Дешевая «нержавейка» – это, скорее всего, тот тип стали, в котором легирующих элементов содержится минимальное количество, либо их нет. Плюс к этому – несоблюдение технологий работ с нержавеющими сталями при изготовлении оборудования. И вот пищевое предприятие, установившее такое оборудование, через некоторое, сравнительно недолгое, время начинает пожинать плоды – по сварным швам, в местах зачисток, полировок и в местах гиба появляется местная коррозия, внешняя поверхность, особенно емкостного оборудования, темнеет, на ней появляются разводы от серого до темно- фиолетового цвета, пятна и пр.

В пищевой промышленности поверхности оборудования подверга- ются различному воздействию. Специфика пищевого производства предусматривает целый ряд многократных санитарно-гигиенических мероприятий с использованием горячей воды, моющих и дезинфицирующих растворов различной рН, концентрации, температуры и времени воздействия, что может спровоцировать на некачественном оборудовании начало коррозионного процесса, как на наружной, так и на внутренней поверх- ностях оборудования. При подборе моющих и де зинфицирующих средств обязательно должны учитываться материал оборудования и его физическое состояние (срок эксплуатации, износ и механические повреж- дения поверхности металла). Необходимо обратить особое внимание на такой, казалось бы, безо- бидный фактор, как промывочная вода. Коррозия сталей может возникать в любой воде – чистой, сверхчистой, паре, очищенной питьевой воде или неочищенной технической воде. Умягчение воды не удаляет анионы, такие как карбонаты, бикарбонаты, хлориды и т. п., а только обеспечивает обмен с катионами, такими как кальций и магний, с содой и калием. Даже кратковременное воздействие хлорсодержащих реагентов может стать отправной стадией появления коррозии, в особенности если поверхность нержавеющей стали шероховатая. Полированная стальная поверхность обладает повышенной корро- зионной устойчивостью, но такие повреждения как царапины, риски, чистка абразивным материалом или металлическими щетками приводят к возникновению коррозии. 59 № 4 2010 ПЕРЕРАБОТКА МОЛОКА оборудование ПРО изводство Механически полированные поверхности имеют более низкую кор- розионную стойкость, нежели электрополированные поверхности, так как при полировальных операциях остаются микроскопические изъявления. Электрополировка удаляет эти изъявления и производит пассивирующий слой с более высоким соотно- шением хром- железо. Изъявления образуют элементы коррозии, где могут концентрироваться растворы хлоридов и продолжать реагировать, даже если система в целом оснащена промывкой с высокой жесткостью воды. Использование сильнодействующих ПАВ в растворе промывки будет способствовать удалению хлоридов. Чер- ная, но не бурая коррозия, образуется в присутствии пара и горячей воды, близкой к температуре пара. При первоначальном образовании она синяя, а затем становится черной, поскольку она нарастает до предельной толщины, предупреждающей дальнейшее проникновение кислорода. На электрополированных поверхностях нержавею- щей стали такая коррозия блестящечерная, а на непассивированных механически полированных поверхностях она может быть матово-черной. Анализ с использованием фотоэлектронной спектроскопии показывает, что этот слой является полуторной окисью железа, обычно именуемой магнитным железняком. Он не удаляется обычной чисткой, но может быть удален химическими средствами или шлифованием. Если коррозия является блестяще черной, то ее можно оста- вить, так как она достаточно стабильна. Матовый слой коррозии может потребовать чистки, после чего поверхность должна быть химически запассивирована, но при последующей эксплуатации оборудования поверх- ность может снова потемнеть.

Требования к эксплуатации оборудования

Несмотря на высокую коррозионную стойкость нержавеющих сталей, для обеспечения долговечности оборудования, изготовленного из них, необходимо выполнять следующие требования:

•• не допускать контакта разнородных металлов (а в случае конструк- тивной необходимости такого контакта разъединять металлы изоли- рующими прокладками);
•• аппараты не должны иметь острых углов, щелей, труднодоступных углублений, способствующих оседанию твердых частиц и застаиванию сред; по этой же причине следует избегать нахлесточных сварных соединений;
•• избегать контакта нержавеющего оборудования с пористыми материалами, имеющими свойство впиты- вать среды;
•• избегать длительного контакта с горячими концентрированными растворами, содержащими хлористый натрий (поваренная соль), с кислыми растворами на основе соляной кислоты при любых температурах, дезинфицирующих средств с содержанием хлора;
•• не допускать засыхания пищевых сред, как кислого, так и нейтрального характера, на поверхности металла (нейтральная среда имеет свойство прокисать);
•• при промывке оборудования, особенно с полированной поверхностью, применять не горячую, а теплую (25 – 50 ?C) воду;
•• подбирать моющие и дезинфицирующие средства для санитарных обработок оборудования следует с учетом их коррозионного воздействия на металл (подробную характеристику препаратов, а также технологию их применения, обязан предоставить завод-изготовитель);
•• по окончании санитарных обработок необходимо обеспечивать полноту смываемости используемых рас- творов;
•• при отработке технологий санитарной мойки применять минималь- но допустимую концентрацию пре- паратов и минимально требуемую температуру растворов.

Марки нержавеющих сталей Легированные (нержавеющие) стали являются сегодня практически не- заменимым материалом для изготовления пищевого оборудования. Технологическая и санитарно-гигиеническая оценка нержавеющих сталей, контактирующих с продуктами виноделия как с наиболее коррозионно-активными, позволила выявить марки нержавеющих сталей, допущенных к контакту с пищевыми продуктами. Детали и узлы, длительно контактирующие с суслом, вином, коньячным спиртом, продуктами переработки отходов виноделия, в свеклосахарном, ликероводочном, хлебопекарном, кондитерском производствах – необходи- мо изготавливать из сталей марок 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х21Н6М2Т, 12Х21Н5Т, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т в состав которых входит хром, никель, титан. Детали и узлы, непродолжительно контак- тирующие с суслом и вином – из сталей 12Х13,20Х13, 30Х13, 12Х17, 14Х17Н2. Детали машин, аппаратов и цистерн для перевозки и хранения вина, коньячного спирта, молочных продуктов – из сталей 08Х18Г8Н2М2Т, 08Х23Н28М2Т, 40Х25Н.

В настоящее время предприятиям, изготавливающим оборудование, все чаще предлагаются импортные нержавеющие стали, маркировка которых указывается в соответствии с зарубежными стандартами, чаще всего – Германия – DIN, США – AISI. Самыми распространенными сейчас являются стали марок AISI 304, AISI 304L, AISI430, AISI316, AISI- 316Ti, AISI321, которые часто рекламируются как аналоги с т али 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, Х18Н9Т. Действительно, все эти стали относятся к легированным нержавеющим сталям, но стали марок AISI304, AISI430, AISI316 не стабилизированы титаном, а значит, подвержены межкристаллитной коррозии и снижению коррозионной стойкости в зонах нагрева: в зонах сварки, пайки, гибки. Эти зоны необходимо после механической зачистки подвергать обязательной химической пассива- ции специальными пастами или растворами. Различные термические, механические и химические воздействия на эти стали как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации оборудования, меняют структуру поверхности стали, что делает ее уязви- мой к воздействию различных рабочих сред пищевого производства и средств санитарно-гигиенической обработки. В связи с этим при изготовлении или эксплуатации оборудования, изготовленного из сталей этих марок, необходимо выполнять вышеуказанные рекомендации.