Что такое bristle blasting? Принцип работы, достигаемые стандарты и когда его применять

В этой статье объясняется, как работает bristle blasting, с какими стандартами подготовки поверхности сопоставляются его результаты, как измерять и проверять подготовленную поверхность, когда его следует предписывать и как включить его в спецификацию проекта. Bristle blasting — это механический метод подготовки поверхности без абразива, обеспечивающий степень очистки, сопоставимую с почти белым металлом (ISO 8501-1 Sa 2½ / SSPC-SP 10), и контролируемый профиль шероховатости (анкерный профиль) без абразивных материалов. Он применяется на шельфе, в энергетике, судостроении и промышленном обслуживании, где абразивоструйная очистка запрещена, непрактична или экономически нецелесообразна.

Что такое bristle blasting?

Bristle blasting — это метод подготовки поверхности, при котором вращающаяся лента с наконечниками из закалённой стальной проволоки с большой скоростью ударяет по стальной основе, удаляя коррозию, прокатную окалину и старое покрытие и одновременно формируя профиль шероховатости. Bristle Blaster®, разработанный MontiPower®, — это ручной механизированный инструмент, построенный на этом принципе. В документированных испытаниях он обеспечивает степень очистки, сопоставимую с Sa 2½ / SSPC-SP 10, и профиль шероховатости Rz 65–85 µm на стандартной стали без абразивных материалов.

Название «bristle blasting» отражает состояние поверхности, схожее с получаемым при струйной очистке, но достигаемое инструментом со щетинками, а не абразивоструйной очисткой. Никакого абразива — ни дроби, ни песка, ни иных материалов — не используется. Подготовка поверхности полностью механическая и обеспечивается кинетической энергией ударов проволочных наконечников.

Как работает bristle blasting: ударный механизм

Чтобы понять bristle blasting, нужно понять, почему вращающийся проволочный инструмент даёт принципиально иной результат, чем проволочная щётка. Различие заключается не в скорости или давлении, а в механизме.

Проволочная щётка и bristle blasting: принципиальное различие

Обычная проволочная щётка удаляет рыхлые загрязнения за счёт истирания: проволочные кончики скребут по поверхности и счищают то, что слабо держится. Плотно сцепленная прокатная окалина такому истиранию не поддаётся. В лучшем случае результат соответствует SSPC-SP 2 / SP 3 (ISO 8501-1 St 2 / St 3), нередко с полированной, а не профилированной поверхностью. Сам стандарт SSPC-SP 3 указывает, что удаление прочно сцепленной прокатной окалины этим способом не предполагается, а SSPC-SP 11 предупреждает, что механические проволочные щётки, применяемые отдельно, могут не обеспечить требуемый профиль. Полировка вредна для адгезии покрытия.

Bristle Blaster® работает по иному принципу. По мере вращения ленты проволочные наконечники удерживаются ускоряющей планкой, затем освобождаются и ударяют по основе — ударом, а не протягиванием по поверхности, — и отскакивают. Каждый удар представляет собой миниатюрный акт наклёпа: наконечник разрушает слой прокатной окалины или коррозии и формирует локальный кратер в поверхности основы.

Что происходит в точке удара

В момент контакта наконечника Bristle Blaster® с поверхностью происходят три процесса:

• Разрушение и выброс окалины. Энергия удара разрушает хрупкий оксид прокатной окалины или слоя коррозии, и фрагмент отбрасывается с поверхности при отскоке наконечника. Прокатная окалина твёрдая и хрупкая по сравнению с пластичной сталью под ней, поэтому от резкого локального удара она трескается, а не полируется.
• Образование кратеров. Сталь под окалиной пластически деформируется под действием удара, образуя кратер. Край кратера смещается вверх и наружу, формируя пик. Сочетание кратеров и пиков и есть профиль шероховатости — текстура поверхности, обеспечивающая механическое сцепление с покрывающей системой.
• Остаточные сжимающие напряжения. Пластическая деформация создаёт в приповерхностном слое стали остаточные сжимающие напряжения. Тот же механизм используется при дробеструйном упрочнении конструктивных элементов для повышения усталостной прочности. В исследовании NACE были измерены остаточные сжимающие напряжения в стали, обработанной методом bristle blasting, и проведено их сравнение с эталонами после абразивоструйной очистки; эта характеристика присуща ударному механизму и не возникает при обработке проволочной щёткой.

Исследования Станго: независимая научная характеристика

Механизм bristle blasting был описан профессором Робертом Дж. Станго (Robert J. Stango) из Университета Маркетт в серии докладов на конференциях, опубликованных через NACE International, начиная с работы 2009 года об основах bristle blasting и затем исследования остаточных напряжений 2014 года. В этих работах поверхность, получаемая Bristle Blaster®, исследовалась методами профилометрии, микроскопии и измерения остаточных напряжений. Ключевые выводы включали профиль шероховатости кратерного типа, по чистоте и шероховатости сходный с получаемым при абразивоструйной очистке, а также характерный признак — сжимающие остаточные напряжения. Вместе с независимыми верфными испытаниями (Dankiw and Fosdike, 2018) и стандартом Jotun на очистку методом bristle blast это составляет техническую основу, на которой bristle blasting включается в спецификации на покрытия.

С какими стандартами сопоставляются результаты bristle blasting?

Степень очистки

Степени очистки, такие как ISO 8501-1 Sa 2½ и SSPC-SP 10, определены для абразивоструйной очистки. Поэтому результат, полученный механизированным инструментом, описывается как сопоставимый с соответствующей степенью струйной очистки и принимается по спецификации проекта ответственным инспектором. В документированных испытаниях Bristle Blaster® обеспечивает степень очистки, сопоставимую с SSPC-SP 10 / NACE No. 2 / ISO 8501-1 Sa 2½ (почти белый металл), на углеродистой стали с прокатной окалиной и степенями ржавости от A до D. На чистой или слабо корродированной стали результат, сопоставимый с Sa 3 (SSPC-SP 5 / белый металл), достигается дополнительными проходами. В декабре 2021 года на проекте нанесения покрытия на полевые стыки для Total E&P Bolivia спецификация требовала Sa 3 / SSPC-SP 5, а значение растворимых солей после подготовки составило 1,4 µg/cm².

Результаты зависят от марки стали, степени ржавости, состояния ленты и техники работы. Применимые определения стандартов:

Профиль шероховатости

Профиль шероховатости — это параметр текстуры поверхности, определяющий механическую адгезию покрытия к основе. Большинство высокоэффективных промышленных и морских систем покрытий задают в техническом паспорте продукта минимальный и максимальный профиль шероховатости; требуемый диапазон зависит от типа покрытия и толщины сухой плёнки, при этом более толстые системы и газотермическое напыление, как правило, требуют более глубокого профиля.

Профиль шероховатости Bristle Blaster® на углеродистой стали:

Остаточные сжимающие напряжения

Хотя при выполнении работ по защитным покрытиям в ходе эксплуатации это обычно не параметр спецификации, остаточные сжимающие напряжения, создаваемые при bristle blasting, имеют инженерное значение в двух случаях: для трубопроводной или конструкционной стали, чувствительной к усталости, где напряжённое состояние поверхности влияет на зарождение и рост трещин, и при восстановлении корродированных элементов, где сжатый приповерхностный слой полезен. В исследовании NACE 2014 года остаточные напряжения после bristle blasting сравнивались с эталонами после абразивоструйной очистки; механизм тот же — принцип холодного упрочнения, что и при дробеструйном наклёпе.

Технические характеристики Bristle Blaster®

Измерение и проверка результатов bristle blasting

Все три выходных параметра (степень очистки, профиль шероховатости и загрязнение растворимыми солями) следует измерять и фиксировать до нанесения покрытия. Методы измерения стандартизированы и совпадают с применяемыми для поверхностей после струйной очистки.

Степень очистки: визуальное сравнение с ISO 8501-1

Степень очистки поверхности оценивается визуально путём сравнения подготовленной поверхности с фотоэталонами ISO 8501-1 для соответствующей исходной степени ржавости (A, B, C или D). Для Sa 2½ эталон показывает поверхность без видимой прокатной окалины, ржавчины и покрытия, где оставшиеся следы проявляются лишь в виде слабых пятен. Оценка проводится при хорошем рассеянном дневном свете или эквивалентном искусственном освещении, на сухой поверхности без конденсата.

Поскольку bristle blasting — это метод механизированной очистки, SSPC-VIS 3 (эталонные фотографии для стали, очищенной механизированным и ручным инструментом) служит полезным дополнением к SSPC-VIS 1 (абразивоструйная очистка), особенно когда спецификация составлена по SSPC-SP 11 или SP 15.

Профиль шероховатости: метод реплик-ленты (ASTM D4417, метод C)

Профиль шероховатости на поверхностях после bristle blasting измеряется методом реплик-ленты по ASTM D4417, метод C — тем же, что применяется для поверхностей, профилированных струйной очисткой.

Пошаговая процедура:

• Выберите ленту Testex Press-O-Film® класса X-Coarse (диапазон измерения 38–115 µm / 1,5–4,5 mil); этот диапазон охватывает типичный результат Bristle Blaster® 65–85 µm
• Снимите ленту с подложки и приложите к сухой подготовленной поверхности в измеряемой зоне
• Плотно разгладьте ленту полировальным инструментом из комплекта, пока пенный слой не примет форму поверхности и лента не станет равномерно тёмной
• Снимите ленту и поместите её между наконечниками пружинного микрометра (или цифрового устройства считывания реплик)
• Считайте общую толщину пенного слоя вместе с полиэфирной подложкой
• Вычтите 50 µm (2 mil) — номинальную толщину несжимаемой подложки, — чтобы получить профиль поверхности (большинство цифровых приборов делают это автоматически)
• Выполните количество измерений, требуемое спецификацией, на каждый представительный участок (обычно несколько измерений с усреднением на каждое место); зафиксируйте среднее значение и диапазон
• Сохраняйте спрессованные реплики ленты в качестве записи; маркируйте их датой, местом, исполнителем и показанием

Ожидаемые показания для Bristle Blaster® на стали API 5L: микрометр 115–135 µm, что после вычета подложки даёт профиль 65–85 µm. Показания вне этого диапазона следует проанализировать: стабильно низкие значения могут указывать на недостаточное число проходов или износ ленты; стабильно высокие — на более мягкую основу или дополнительные проходы. Учтите, что реплик-лента даёт среднюю максимальную высоту от пика до впадины, которая близка к значению Rz, измеренному щуповым прибором, но не тождественна ему.

Загрязнение солями: метод пластыря Бресле

Загрязнение растворимыми солями следует измерять после подготовки поверхности и до нанесения покрытия на любой поверхности, подвергавшейся воздействию морской, шельфовой или промышленной атмосферы. Метод пластыря Бресле (ISO 8502-6 с кондуктометрическим анализом по ISO 8502-9) — наиболее распространённый полевой метод:

• Приклейте самоклеящийся пластырь Бресле к подготовленной поверхности
• Введите через пенное уплотнение отмеренный объём деионизированной или дистиллированной воды (обычно 3 мл для стандартного пластыря)
• Помассируйте пластырь, чтобы растворить поверхностные соли в воде, затем несколько раз извлеките и снова введите раствор
• Извлеките раствор и измерьте проводимость калиброванным кондуктометром
• Пересчитайте показание проводимости в поверхностную плотность растворимых солей по методу ISO 8502-9 или с помощью встроенного пересчёта прибора

Допустимые пределы устанавливаются производителем покрытия и спецификацией проекта и зависят от условий эксплуатации; для работы в условиях погружения, как правило, требуются более низкие пределы, чем для атмосферного воздействия. На проекте по полевым стыкам Total E&P Bolivia после подготовки Bristle Blaster® было измерено 1,4 µg/cm² (14 мг/м²). В ассортимент M-TESTCO® компании MontiPower входят портативные контрольные приборы для таких работ.

Когда следует предписывать bristle blasting

Bristle blasting — удачный выбор для спецификации, если для проекта выполняется одно или несколько из следующих условий.

Взрывоопасная зона ATEX 1 или 2

Bristle Blaster® Pneumatic — полностью пневматический, без электрических частей, и оценён по ATEX 2014/34/EU как оборудование категории 2 для зоны 1 по газу и зоны 21 по пыли в сочетании с указанными лентами. Немногие ручные инструменты сочетают оценку по ATEX с профилирующим результатом до голого металла, что делает его практичным вариантом, когда спецификация на покрытие требует результата, сопоставимого с SP 10, внутри классифицированной зоны. Механическая обработка стали всё же может давать искры: допустимость работ определяется зонированием, оценкой рисков и системой допусков оператора объекта.

Отсутствие инфраструктуры для абразивоструйной очистки

Удалённые участки трубопроводов, работы на шельфе без остановки эксплуатации, суда на ходу и аварийный ремонт, когда нельзя доставить пескоструйный аппарат и компрессор большой производительности. Bristle Blaster® работает от сети сжатого воздуха, электросети или аккумулятора 18 В и является ручным инструментом для одного оператора.

Локальный ремонт и точечное обслуживание

При разрушении покрытия на сварных швах, крепеже, опорных хомутах, в зонах патрубков и в местах повреждений — а это значительная доля объёма работ по обслуживанию — затраты на мобилизацию абразивоструйной очистки велики по сравнению с обрабатываемой площадью. В полевых испытаниях Wales & West Utilities ремонт коррозии на небольшом участке занял в сумме 45 человеко-минут с Bristle Blaster® против 260 человеко-минут при абразивоструйной очистке, главным образом из-за подготовки и уборки.

Укрытие недоступно или не разрешено

Для bristle blasting не нужна защитная камера, поскольку нет абразивной струи. Образующиеся отходы (раскрошенная окалина, частицы ржавчины и покрытия) в основном крупные и оседают вблизи рабочей зоны, поэтому природоохранные меры сводятся к сбору отходов в непосредственной рабочей зоне, без устройства укрытий и утилизации отработанного абразива. Однако отсутствие абразива не означает отсутствие пыли: мелкие частицы удаляемого материала всё равно попадают в воздух, поэтому вытяжка и средства защиты органов дыхания должны соответствовать оценке рисков на объекте, особенно если старые покрытия могут содержать свинец или шестивалентный хром.

Подготовка под покрытие полевых стыков трубопроводов

Bristle blasting предписывается в качестве основного или резервного метода подготовки под покрытие полевых стыков на наземных и морских трубопроводах. На кольцевых сварных швах он удаляет прокатную окалину и окисление сварки с корня шва и зоны термического влияния, формирует профиль шероховатости для системы покрытия полевого стыка (термоусаживаемая муфта, жидкая эпоксидная система или холодная лента) и обеспечивает степень очистки, сопоставимую с SP 10 или SP 5, требуемой процедурой нанесения покрытия на стык.

Обслуживание действующих объектов без остановки эксплуатации

Там, где производство нельзя останавливать ради струйной очистки, bristle blasting позволяет вести обслуживание рядом с действующим технологическим оборудованием при условии соблюдения системы допусков объекта. Поэтому его используют операторы и подрядчики на нефтегазовых, нефтехимических и химических предприятиях для планового обслуживания действующих активов.

Как включить bristle blasting в спецификацию проекта

Приведённая ниже формулировка спецификации даётся как отправная точка. Её следует адаптировать к конкретной системе покрытия, основе и требованиям проекта. Всегда сверяйтесь с техническим паспортом производителя покрытия, который определяет требуемую степень очистки, диапазон профиля шероховатости и максимальный уровень растворимых солей для наносимого продукта.

Примечания для составителей спецификаций:

• Если система покрытия требует Sa 3 / SSPC-SP 5, предусмотрите дополнительные проходы Bristle Blaster® и включите контрольную точку для проверки службой контроля качества перед нанесением покрытия.
• Для поверхностей с сильной предшествующей коррозией или толстым слоем покрытия предусмотрите предварительную обработку Tercoo® (тот же привод, что и у Bristle Blaster®) перед профилированием Bristle Blaster®. Это двухэтапный метод.
• Процитируйте в документе-основании спецификации работы Станго/NACE, исследование Dankiw and Fosdike (2018) и стандарт Jotun на очистку методом bristle blast, чтобы заложить техническую основу метода.
• Убедитесь, что технический паспорт системы покрытия допускает механически подготовленную поверхность с заданным профилем шероховатости. Многие современные эпоксидные системы допускают; некоторые старые цинк-силикатные системы разрабатывались в расчёте только на подготовку струйной очисткой.

Распространённые заблуждения о bristle blasting

«Это просто навороченная проволочная щётка»

Самое распространённое заблуждение. Проволочная щётка удаляет рыхлые загрязнения протягиванием с истиранием и достигает SSPC-SP 2 — SP 3. Bristle Blaster® удаляет плотно сцепленную прокатную окалину ударом и даёт результат, сопоставимый с SP 10. Механизм и результат принципиально различны. Исследования Станго описали это различие на уровне материаловедения, а верфные испытания Dankiw и Fosdike показали 30–40 µm при обработке шлифмашиной с лепестковым кругом против 50–80 µm при применении инструмента для bristle blasting на тех же сталях.

«Он не справится с сильной коррозией»

На поверхностях с сильной слоистой коррозией один проход Bristle Blaster® занимает больше времени и быстрее расходует ресурс ленты. Практичный подход — двухэтапный метод: предварительная обработка Tercoo® для удаления основной массы коррозии, затем Bristle Blaster® для достижения чистоты и профиля. Tercoo® устанавливается на тот же привод, поэтому отдельной мобилизации не требуется.

«Профиль хуже, чем при струйной очистке»

На стандартной углеродистой стали API 5L Bristle Blaster® даёт Rz 65–85 µm в документированных испытаниях, что в пределах профиля, заданного для многих высокопрочных эпоксидных и промежуточных систем. Профиль при струйной очистке сильно зависит от абразива: стальная дробь даёт округлый, как правило, менее глубокий профиль, а угловатый абразив — более глубокий и острый. Профиль Bristle Blaster® по морфологии не идентичен профилю струйной очистки, но укладывается в требования к профилю систем покрытия, с которыми он применяется. Всегда сверяйте измеренный профиль с техническим паспортом покрытия.

«В зоне 1 он не работает — любые механизированные инструменты исключены»

Оценка по ATEX относится к конкретному изделию, а не является общим свойством пневматических инструментов. Bristle Blaster® Pneumatic прошёл оценку риска воспламенения и оценку соответствия ATEX 2014/34/EU как оборудование категории 2 для зоны 1 по газу и зоны 21 по пыли; маркировка относится к указанным лентам в сочетании с оригинальным пневматическим приводом. Правила объекта и допуски на огневые работы по-прежнему действуют.

Часто задаваемые вопросы

Соответствует ли bristle blasting SSPC-SP 10?

SSPC-SP 10 / Sa 2½ написан для абразивоструйной очистки, поэтому поверхность после bristle blasting оценивается как сопоставимая с SP 10, а не как SP 10 в строгом смысле. Документированные испытания показывают степень очистки, сопоставимую с Sa 2½ / SP 10, на углеродистой стали с прокатной окалиной и ржавчиной. Приёмка определяется спецификацией на покрытие и инспектором; результаты зависят от марки стали, степени ржавости, ленты и техники работы.

Какой профиль шероховатости даёт bristle blasting?

В документированных испытаниях на трубопроводной стали API 5L Bristle Blaster® даёт Rz 65–85 µm (2,6–3,3 mil), а в зависимости от основы и ленты возможно до Rz 120 µm. Измеряйте его по ASTM D4417, метод C, реплик-лентой X-Coarse (диапазон 38–115 µm), вычитая из показания прибора 50 µm (2 mil) несжимаемой плёнки.

Сертифицирован ли bristle blasting по ATEX?

Bristle Blaster® Pneumatic оценён по Директиве ATEX 2014/34/EU как оборудование категории 2 для зоны 1 по газу (IIA) и зоны 21 по пыли (IIIC) в сочетании с указанными лентами. Электрические и аккумуляторные модели по ATEX не оценивались. Допустимость работ в классифицированной зоне по-прежнему определяется зонированием, оценкой рисков и системой допусков объекта.

Сколько времени занимает bristle blasting?

MontiPower указывает около 1,1 м² в час для устройства с одинарной лентой на трубе API 5L (степень ржавости B) и около 3 м² в час для устройств с двойной лентой на плоских поверхностях. Фактическая производительность зависит от твёрдости стали, степени ржавости, типа и толщины покрытия и техники оператора. При небольших ремонтах экономия времени достигается в основном на подготовке и уборке.

В чём разница между bristle blasting и обработкой проволочной щёткой?

Проволочная щётка скребёт по поверхности и удаляет рыхлый материал, как правило, до SSPC-SP 2 / SP 3, и может полировать сталь. При bristle blasting разогнанные проволочные наконечники ударяют и отскакивают, разрушая плотно сцепленную прокатную окалину и ржавчину и оставляя профиль шероховатости кратерного типа. Это ударный метод, а не улучшенная щётка.

Может ли bristle blasting заменить пескоструйную очистку в спецификации на покрытие?

Часто — при обслуживании, локальном ремонте и на полевых стыках, где спецификация строится вокруг результата: степени очистки, профиля шероховатости и предела растворимых солей. Если в спецификации методом назван именно абразивоструйный, замену должны согласовать владелец или производитель покрытия. Убедитесь, что технический паспорт покрытия допускает поверхность, подготовленную механизированным инструментом, при измеренном профиле.

Кто использует bristle blasting?

Bristle blasting используют операторы трубопроводов, подрядчики по нанесению покрытий, верфи и службы технического обслуживания предприятий в нефтегазовой, нефтехимической, судостроительной, шельфовой и инфраструктурной отраслях. Опубликованные примеры из практики MontiPower включают нанесение покрытия на полевые стыки для Total E&P Bolivia, подготовку сварных швов на установке Shell и полевые испытания Wales & West Utilities.

Дополнительные материалы

• Как удалить прокатную окалину со стали: инструменты, методы и спецификации — почему прокатную окалину необходимо удалять и какие инструменты обеспечивают степени чистоты до голого металла.
• Альтернативы пескоструйной очистке стали: полное сравнение методов — все альтернативы в сравнении по пригодности для ATEX, стандартам, производительности и стоимости.