Металлические конусы являются ключевым элементом цилиндро-конических танков (ЦКТ), предназначенных для главного брожения, дображивания и осветления пива. Коническая нижняя часть ёмкости обеспечивает естественное осаждение дрожжей и их последующее удаление через донный клапан без нарушения герметичности системы. Основные материалы - коррозионно-стойкие аустенитные стали по ГОСТ 5632-2014, обеспечивающие гигиеничность и устойчивость к агрессивным моющим средам.

Назначение и принцип работы

Конус в пивоваренной промышленности представляет собой сварную обечайку в форме усечённого конуса, устанавливаемую в нижней части бродильных и дображивающих танков. Основная технологическая функция конической части - сбор и концентрирование осадка (дрожжевой биомассы, белковых коагулятов, хмелевых смол) в узкой нижней зоне.

Преимущества конусной конструкции:

• ускоренное осветление пива за счёт ламинарного оседания взвеси к центру конуса;

• возможность многоступенчатого отбора дрожжей (верхний слой - жизнеспособные клетки для засева, нижний - автолизат);

• эффективная CIP-мойка (Cleaning In Place) благодаря минимальному количеству застойных зон;

• компактное размещение оборудования в производственных цехах (ЦКТ имеют высокое соотношение высоты к диаметру).

Основные нормативные документы

Производство и эксплуатация металлических конусов для пищевого оборудования регламентируется следующими документами:

• ТР ТС 021/2011 "О безопасности пищевой продукции" - устанавливает общие санитарно-гигиенические требования к материалам, контактирующим с пищевой продукцией;

• ГОСТ 5632-2014 "Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные" - определяет марки сталей, химический состав и механические свойства;

• ГОСТ 22706-77 (справочно) - листы стальные с полированной поверхностью (нормирует классы шероховатости);

• ГОСТ 25973-83 "Аппараты колонные. Общие технические условия" - содержит требования к сварным обечайкам и днищам ёмкостного оборудования;

• ГОСТ Р 51330.12-99 - требования к электрооборудованию взрывоопасных зон (применимо к площадкам установки ЦКТ с учётом выделения CO2);

• Р 50.2.028-2003 "ГСИ. Неразрушающий контроль. Сварные соединения. Радиографический метод" - методы контроля качества сварных швов.

Материалы изготовления

Для конусов ЦКТ применяются аустенитные нержавеющие стали. Выбор конкретной марки зависит от объёма танка, типа моющих растворов и режима эксплуатации.

Отечественные марки по ГОСТ 5632-2014

Зарубежные аналоги (справочно)

Современные импортные ЦКТ часто изготавливаются из сталей AISI 304 (аналог 08Х18Н10) и AISI 316L (аналог 03Х17Н14М3). Следует учитывать, что зарубежные стандарты (ASTM A240, EN 10088) имеют незначительные отличия по содержанию углерода, серы и фосфора, поэтому прямая замена требует проверки коррозионной стойкости в конкретных условиях.

Химический состав и его влияние на свойства

Ключевые легирующие элементы в составе аустенитных сталей для конусов:

• Хром (17-19 %) - формирует пассивную оксидную плёнку, обеспечивающую основную коррозионную стойкость;

• Никель (9-14 %) - стабилизирует аустенитную структуру, повышает пластичность и сопротивление межкристаллитной коррозии;

• Молибден (2,5-3,5 % в сталях типа 316) - критически важен для устойчивости к питтинговой коррозии в средах с ионами хлора (жёсткая вода, некоторые моющие средства);

• Титан (в сталях с индексом "Т") - связывает углерод в карбиды, предотвращая межкристаллитную коррозию в зоне термического влияния сварных швов;

• Углерод - при содержании выше 0,03 % повышает склонность к выделению карбидов хрома, что снижает коррозионную стойкость сварных соединений.

Механические свойства

Нормативные значения для листового проката в состоянии после закалки (по ГОСТ 5632-2014):

Твёрдость поверхности после механической обработки и полировки обычно находится в пределах HB 140-180.

Геометрические параметры

Угол наклона образующей конуса к вертикали является критическим параметром, определяющим эффективность сбора дрожжей и скорость опорожнения танка.

Типовые значения углов:

• 60° - стандарт для большинства европейских производителей, обеспечивает хороший сбор осадка при минимальной высоте конической части;

• 70-75° - оптимальный компромисс между эффективностью опорожнения и габаритами танка;

• 80-85° - применяется в высокоскоростных процессах сбраживания, где требуется максимально быстрое удаление дрожжей для предотвращения автолиза.

Высота конуса составляет от 1 до 2 диаметров цилиндрической части ЦКТ. Общая высота танка с конусом может достигать 20-25 метров для ёмкостей объёмом 300-600 м³.

Технологические требования

Сварные соединения

Сварка обечаек конуса выполняется аргонодуговым методом (TIG) с использованием присадочной проволоки, близкой по составу к основному металлу. Требования к сварным швам:

• отсутствие пор, подрезов, наплывов;

• полное проплавление корня шва;

• зачистка шва до уровня основного металла без образования углублений;

• пассивация зоны термического влияния азотной кислотой или специализированными пастами для восстановления оксидной плёнки.

Требования к поверхности

Шероховатость внутренней поверхности конуса, контактирующей с продуктом, нормируется для обеспечения эффективной мойки и предотвращения адгезии микроорганизмов:

• Ra ≤ 0,8 мкм - стандартное требование для зон контакта с пивом;

• Ra ≤ 0,4 мкм - повышенное требование для стерильных зон и дрожжевых танков;

• Ra ≤ 1,6 мкм - допустимо для наружных поверхностей и зон, не контактирующих с продуктом.

Арматура на конусе

В нижней точке конуса (вершине) устанавливается донный клапан. Стандартные типы:

• Дисковый поворотный клапан (butterfly valve) - для быстрого отбора дрожжей;

• Пробоотборный клапан с минимальным мёртвым объёмом;

• Двойной седельный клапан (mixproof valve) - для безопасного отбора продукта без риска смешивания с моющими растворами;

• Люк для механической очистки (обычно DN 400-500) для периодического обслуживания.

Области применения

Металлические конусы применяются в следующих типах оборудования:

Цилиндро-конические танки (ЦКТ)

• главное брожение сусла при температуре 8-15 °C;

• дображивание при 0-2 °C с карбонизацией;

• осветление и стабилизация пива перед фильтрацией.

Дрожжевые танки (ДТ)

• хранение маточных дрожжей;

• разбраживание дрожжевого осадка;

• приготовление дрожжевой суспензии заданной концентрации.

Танки для сбора пивного осадка

• промежуточное хранение шламовых отходов;

• сепарация дрожжей от белкового осадка.

Силосы и бункеры сыпучих компонентов (согласно объектам из справочника)

• дозирование солода, хмеля, вспомогательных материалов;

• конусная часть обеспечивает самотёчное истечение материала без сводообразования.

Контроль качества и испытания

Приёмка конусов включает следующие процедуры:

1. Визуальный и измерительный контроль - проверка геометрии, шероховатости, отсутствия поверхностных дефектов согласно Р 50.2.028-2003.

2. Неразрушающий контроль сварных швов:

   • радиографический метод (100 % продольных швов, 20-50 % кольцевых);

   • ультразвуковой контроль для толстостенных обечаек;

   • капиллярный контроль (цветная дефектоскопия) для аустенитных сталей.

3. Гидравлические испытания - заполнение водой под давлением 1,25-1,5 от рабочего (обычно 2-3 бар) с выдержкой не менее 30 минут.

4. Пневматические испытания - проверка герметичности уплотнений клапанов воздухом под давлением 0,6-1,0 МПа с обмыливанием.

5. Пассивация поверхности - обработка окислителями с последующей промывкой и контролем по остаточному содержанию свободного железа.

Ограничения и критические замечания

• Стали типа 08Х18Н10 (AISI 304) не рекомендуется применять в средах с концентрацией хлоридов выше 200 мг/л и температурах выше 60 °C из-за риска питтинговой коррозии;

• Использование углеродистых сталей с последующим эмалированием или футеровкой для конусов ЦКТ запрещено ТР ТС 021/2011 из-за невозможности обеспечения гигиенических требований;

• Применение фторопластовых прокладок (ПТФЭ) в местах контакта с пивом ограничено из-за их способности сорбировать ароматические компоненты; предпочтительнее EPDM или силиконовые уплотнения, допущенные для пищевой промышленности;

• Сварные швы без механической зачистки и полировки становятся очагами развития биоплёнок, которые не удаляются стандартными CIP-программами;

• Запрещается применять для пассивации поверхности растворы на основе соляной кислоты - образующиеся хлориды вызывают коррозионное растрескивание под напряжением аустенитных сталей.

Аналоги и сопоставимость

При замене импортных конусов или подборе материалов для ремонта следует учитывать:

Замена материала требует согласования с проектной организацией и проведения дополнительных коррозионных испытаний в модельных средах.

Частые вопросы

Можно ли изготовить конус ЦКТ из пищевой алюминия или титана?
Алюминий не применяется для конусов ЦКТ из-за высокой химической активности в щелочных моющих средах и риска перехода ионов металла в пиво. Титан технически подходит, но его стоимость в 8-10 раз выше нержавеющей стали, что делает его применение экономически нецелесообразным для стандартных пивоварен. В исключительных случаях титановые конусы используют для специальных кислых сортов пива с длительной выдержкой.

Почему некоторые производители указывают два угла конуса на одном танке?
Это так называемая "двухконусная" конструкция (bicone design). Верхний конус имеет угол 15-25° и служит для перехода от цилиндра к основной конической части, а нижний - 70-85° для сбора дрожжей. Такое решение позволяет уменьшить общую высоту танка при сохранении рабочего объёма и улучшает распределение гидростатических нагрузок на нижний опорный пояс.

Как часто нужно проводить механическую полировку внутренней поверхности конуса?
Полировка до исходного состояния (Ra ≤ 0,8 мкм) выполняется при плановом капитальном ремонте, обычно раз в 5-7 лет, в зависимости от интенсивности CIP-моек и качества моющих средств. Между полировками проводится регулярный визуальный осмотр с помощью эндоскопа и замер шероховатости в контрольных точках. Появление рисок глубиной более 0,1 мм требует внеплановой обработки поверхности.

Допускается ли приварка дополнительных штуцеров к существующему конусу?
Врезка дополнительных штуцеров в коническую часть работающего ЦКТ допускается только при условии: расчёта на прочность с учётом ослабления стенки, применения вварных патрубков с радиусным переходом (без застойных зон), выполнения сварки квалифицированным сварщиком с последующей зачисткой и пассивацией шва. После работ обязательны гидравлические испытания и проверка герметичности. Несогласованные врезки могут привести к нарушению геометрии конуса и образованию зон скопления осадка.