Коррозия в системах теплоснабжения. 2

ФБГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.                                        Калашникова»

                                             Теплотехнический  факультет

                                                  ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА

                                          по дисциплине 

           Физико-химические основы коррозии  материалов

Выполнил студент:                                                                                            Белоусов А.С

                  Направление подготовки                Водо-теплоснабжение населенных мест

№ группы                                                                                              Б-03-508-1

Подпись студента _________________ Дата сдачи работы «___» ______________ 200__ г.

Работу проверил                                                                                             Плетнев М.А

                                                «___» __________ 201__

Схемы теплоснабжения

Схемы теплоснабжения в зависимости от режима и объема потребления горячей воды для хозяйственно-бытовых нужд в заданиях различного назначения могут быть централизованные или местные. При централизованной схеме воду приготовляют в одном центре, из которого она транспортируется по тепловым сетям к потребителям.

Вода подогревается в центральных (ЦТП) или индивидуальных пунктах (ИТП) теплоносителем, подаваемым тепловыми сетями. При двухтрубных водяных тепловых сетях и открытых схемах теплоснабжения горячая вода подается непосредственно к подающему и обратному трубопроводам, а при закрытых схемах теплоснабжения — через водонагреватели.

Схемы местного горячего водоснабжения применяют для зданий и сооружений при отсутствии централизованного теплоснабжения, а также для объектов, удаленных от источников централизованного теплоснабжения. Воду подогревают в паровых, водяных и газовых водонагревателях.

Температура горячей воды в местах водоразбора должна быть следующей: для схем централизованного горячего водоснабжения, присоединяемых к открытым системам теплоснабжения, — не ниже 60 °С; для схем централизованного горячего водоснабжения, присоединяемых к закрытым системам теплоснабжения, — не ниже 50 °С; для схем местного горячего водоснабжения — не ниже 60 °С.

Способ нагрева воды выбирают в зависимости от схемы теплоснабжения и отопления. Вода может нагреваться в сетевых подогревателях, пиковых водогрейных котлах и конденсаторах турбин, работающих с ухудшенным вакуумом. Имеется опыт использования для подобных целей теплофикационных турбин с давлением пара 24 МПа.

Коррозию оборудования теплосети подразделяют на внутреннюю (со стороны воды) и внешнюю (со стороны грунта). Последний вид коррозии касается преимущественно трубопроводов, проложенных под землей.

Природная вода, предназначенная для подпитки теплосети, всегда содержит соли карбонатной и некарбонатной жесткости, агрессивные газы (кислород и угольную кислоту), а также хлориды и сульфаты. В такой воде существует динамическое равновесие углекислых соединений

2HCO-3 = СО2-3+ С02+ Н20,

которое оказывает существенное влияние на коррозионную агрессивность воды. Оно обусловлено наличием в воде карбонатной жесткости и свободной угольной кислоты СО2. Это равновесие можно охарактеризовать с помощью индекса насыщения J (индекса Ланжелье), который можно определить экспериментально или вычислить по формуле: Js = pH0 — pHs, где рН0, pHs — показатели концентрации водородных ионов, определяемые при 25 °С. Величину pHs, соответствующую равновесному насыщению воды карбонатом кальция, рассчитывают по формуле

pHs= f1(t) - f2( [Са2+]) -f3(Щ) + f4(Р) , где все члены правой части уравнения, зависящие соответственно от температуры воды, концентрации в ней кальция, щелочности Щ и общего солесодержания р, определяют по номограмме, приведенной на рис. 2.

Если рН0<рНs, то это указывает на превышение содержания в воде С02 над равновесной концентрацией. Такая вода способна растворять карбонат кальция и исключает возможность образования на стенках стальных и чугунных труб защитной карбонатной пленки. Отсутствие защитной пленки облегчает контакт металла с водой и при наличии в природных водах растворенного кислорода приводит к коррозии труб. Следует иметь в виду, что соотношением рНо и pHs определяются отнюдь не все факторы влияния воды на коррозию металлов, а лишь те, которые зависят от наличия в воде агрессивной СО2.

Если J>0, вода считается стабильной. Такая вода способна создавать на стали карбонатную защитную пленку СаС03. Если J<0, восда нестабильна; она способна растворять СаСОз. Авторы работы показали, что для воды с температурой 60 °С индекс насыщения примерно на единицу выше, чем для воды того же состава при температуре 10 °С. В умягченной воде углекислотное равновесие теряет смысл.

Основными конструкционными материалами оборудования теплосети являются сталь и латунь. Все элементы этого оборудования при контакте с водой, содержащей агрессивные газы, способны подвергаться кислородной и углекислотной коррозии.

Кислородная коррозия стали в горячей воде теплосети носит язвенный характер; коррозия латуней носит селективный характер, выражающийся в обесцинковании. Стальные трубы изнутри могут подвергаться также подшламовой коррозии, которая впервые была обнаружена авторами работы.

Коррозия теплопроводов со стороны грунта может быть вызвана электрохимическим взаимодействием металла с увлажненной теплоизоляцией или грунтом и блуждающими токами, стекающими с поверхности трубопроводов в грунте через увлажненную теплоизоляцию. В первом случае коррозия обусловлена воздействием на металл кислорода воздуха, содержащегося во влаге, во втором — анодным растворением металла в местах перетока электронов с металла в грунт и носит локальный характер.

Коррозия металла систем горячего водоснабжения приводит к большим затратам на текущие и капитальные ремонты, вызывает перебои в снабжении горячей водой и теплом. Кроме того, внутренняя коррозия ухудшает цветность воды, приводит к порче зданий во время аварий, забиванию трубопроводов, регистров и других элементов оборудования оксидами железа, увеличению напора циркуляционных насосов и ухудшению теплопередачи в теплообменных и водогрейных котлах. Повреждение труб теплообменных аппаратов с паровым обогревом приводит к загрязнению конденсата солями сетевой воды.

На ряде производств для технологических и отопительных целей расходуется большое количество пара, вырабатываемого на заводских ТЭЦ или котельных. В паре и производственном конденсате всегда содержится свободная угольная кислота, которая приводит к коррозии теплоиспользующей аппаратуры и трубопроводов производственного конденсата, а также к загрязнению его гидроксидом железа (III). Последний может вызывать подшламовую коррозию.

Коррозия оборудования паровых теплосетей приобретает наиболее опасный характер при наличии в конденсате кислорода, который всегда проникает из атмосферы при открытой системе сбора конденсата. Элементы оборудования герметизированной паровой теплосети подвергаются менее интенсивной коррозии.

В конденсате возможно наличие также хлоридов, сульфатов, нитритов и других солей. Присутствие угольной кислоты обусловлено термическим разложением гидрокарбоната натрия, основного компонента питательной воды, так как ее подготовка включает Na- или Н — Nа-катионирование.

Температура конденсата может колебаться в значительных интервалах, достигая в открытых системах 100 и в закрытых 200 °С и более. В результате коррозии теплоиспользующей аппаратуры и трубопроводов производственный конденсат загрязняется гидроксидом железа (III), концентрация которого достигает 0,1— 1,0 мг/л. Несмотря на существенное увеличение концентрации ионов водорода при нагревании конденсата (рН<7,0), он по коррозионной агрессивности не может быть приравнен к раствору кислоты, имеющему такое же значение рН: конденсат менее агрессивен. 

Такое различие объясняется тем, что при нагревании в конденсате появляется дополнительное количество не только ионов Н+, но и ионов ОН-, которые способствуют пассивации металла. Таким образом, повышение температуры, с одной стороны, способствует развитию процесса коррозии в результате сдвига потенциала водородного электрода в положительную область (примерно на 70 мВ), а с другой стороны, затрудняет протекание процесса из-за усиления пассивируемости металла ионами ОН-. Подобное свойство воды проявляется лишь при отсутствии примесей.

За последние годы в нашей стране стали с успехом применять контактный метод подогрева воды в аппаратах, принципиальная схема которых приведена на рис. 4. Поскольку в подобных системах горячего водоснабжения производственных объектов вода соприкасается с топочными газами и кислородом воздуха, возникает задача по предупреждению коррозии металла контактных водонагревателей и коммуникаций системы горячего водоснабжения подобного рода. 

Проблема коррозии

Методы защиты металла от коррозии оборудования технического водо- и теплоснабжения существенно различны для периодов работы и простаивания. Основные детали этого оборудования изготавливают из различных марок сталей, латуней и мельхиора. Для технического водоснабжения используют морскую, речную и другие поверхностные воды, а также воды артезианских скважин.

Многие схемы подобных объектов базируются на использовании химически обработанной воды, воды, полученной методом осаждения (известкование) и ионного обмена (натрий-катионирование, водород — натрий-катионирование и обессоливание).  

Коррозия в системах горячего водоснабжения

Предупреждение коррозии оборудования систем теплоснабжения в настоящее время является актуальной проблемой. Однако решение ее осложняется рядом обстоятельств.

1. Невозможность обеспечить крупные  объекты водой из одного водозабора. Это вызывает необходимость использовать  воду из различных водозаборов, состав воды в которых не  только зависит от типа водозабора, но и изменяется во времени. Уменьшить потенциальную коррозионную  агрессивность воды при необходимости  ее смешения можно путем стабилизации  перед пуском ее в магистральный  водопровод. Возможно, что в некоторых  случаях более рационально было  бы автономное водоснабжение  по отдельным заводам (предприятиям, участкам).

2. Отсутствие технико-экономических  обоснований в проектах на  строительство систем горячего  водоснабжения.

3. Низкое качество цинкового  покрытия на трубах.

4. Непосредственный контакт оцинкованных  и неоцинкованных труб, а также сварка оцинкованных труб, вызывающая повреждение покрытия.

5. Периодическое оголение мокрой  поверхности трубопроводов (при  спуске воды из систем из-за  недостаточного напора) без защиты  от коррозии при простаивании  оборудования.

6. Повышенная концентрация кислорода  из-за подсоса воздуха вследствие  плохого технического состояния  системы.

Все эти факторы во много раз ускоряют выход из строя эксплуатирующейся системы горячего водоснабжения, приводят к увеличению числа аварий. По данным Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова, только в РСФСР ежегодно заменяется свыше 550 км трубопроводов горячей воды, а срок их эксплуатации почти в два раза меньше проектного. В Риге вследствие коррозионных повреждений происходит иногда до 50 аварий в сутки, а срок службы отдельных участков трубопровода не превышает 1—2 лет. Учитывая огромную протяженность уже эксплуатирующихся трубопроводов, а также дефицитность коррозионностойких материалов и покрытий, единственно реальным способом уменьшения коррозии в системах водо- и теплоснабжения является антикоррозионная обработка воды. При этом воздействие на металл некоторых неагрессивных вод может вызывать образование на его поверхности защитных отложений, и коррозия прекращается. Однако во многих случаях в присутствии агрессивных веществ коррозия протекает с угрожающей скоростью. Поэтому выбору технически и экономически обоснованных методов обработки водопроводной воды должны предшествовать систематические наблюдения за изменениями ее состава и обследование коррозионного состояния трубопроводов. Такую работу целесообразно проводить в несколько этапов.

Значительный объем исследований коррозии труб из черных металлов систем горячего водоснабжения выполнен ВТИ.

Представлены основные данные о средах, которые контактируют с металлом оборудования водо-и теплоснабжения.

Основные агрегаты и трубы систем водо- и теплоснабжения изготавливают из углеродистой стали. В подогревателях, конденсаторах и охладителях устанавливают трубки из латуни, коррозионностойкой стали и иногда из титана.

Как показывает опыт эксплуатации, неагрессивные жесткие воды при дополнительной обработке на натрий-катионитовых фильтрах изменяют свою коррозионную активность вследствие изменения индекса насыщения от положительных величин до отрицательных. В этих условиях даже сравнительно небольшое содержание кислорода в воде (1—4 мг/л) может сильно интенсифицировать коррозию стальных труб. 

Предупреждение коррозии оборудования водоснабжения при эксплуатации

Стабилизация воды

Коррозионную агрессивность природных жестких вод можно существенно понизить и во многих случаях довести до допустимых значений путем частичной ее нейтрализации, т. е. стабилизации.

Стабилизационная обработка воды заключается в добавлении реагентов, способствующих в первый период эксплуатации водовода наращиванию на стенках труб защитной пленки карбоната кальция; для этого нужно создать положительный индекс насыщения воды карбонатом кальция. После формирования защитной пленки для ее сохранения обработка воды должна обеспечить индекс насыщения, близкий к нулю. Если обработка воды для получения положительного индекса насыщения будет слишком продолжительной, то слой карбоната кальция может оказаться чрезмерно толстым и это снизит пропускную способность трубы. Наоборот, если после образования защитной карбонатной пленки полностью прекратить обработку воды, то под воздействием С02 защитная пленка постепенно растворится, а коррозия труб возобновится. Таким образом, стабилизационную обработку воды, приводящую к нужному соотношению концентраций С02 и НС03_, надо производить постоянно.

Как мы отмечали, в воде имеет место динамическое равновесие углекислых соединений в соответствии с уравнением

Для получения стабильной воды, в том случае, когда в ней содержится свободная угольная кислота, необходимо добавить щелочь в таком количестве, чтобы после связывания части СО2 в ионы НСО3- по уравнению между общим содержанием в воде С02 (теперь уже в равновесной концентрации) и НС03_ наступило равновесное состояние.

При подщелачивании воды возможны два случая: когда для исходной воды pH0s<8,4 и когда рН0< <8,4s. В первом случае изменение рН в процессе подщелачивания воды связано с первой ступенью диссоциации угольной кислоты. Во втором случае стабильность воды наступает при рН>8,4, поэтому вслед за первой наступает вторая ступень диссоциации.

Дозу щелочи (в мг/кг) определяют по формуле:

где э — эквивалентная масса щелочи, мг/мг-экв: NaOH 40, Na2C03 53, CaC03 28 в пересчете на СаО; Е — содержание активного вещества в техническом продукте, %.

Для достаточно интенсивного наращивания защитной карбонатной пленки можно поддерживать индекс насыщения в пределах от 0,5 до 0,7. Более интенсивное подщелачивание нежелательно, так как оно может привести к выделению из раствора осадка карбоната кальция и помутнению воды.

Приближенная формула для расчета полных доз реагентов при подщелачивании воды с получением J = 0,7 при pHs<7,7 имеет вид:

2НСО-3 =СО2-3= СО2+ Н20.

С02+0Н-=НС0-3

Дщ=эЩ (100/Е) = эвЩ0 (100/Е), 

где Щ0 — щелочность воды до обработки, мг-экв/кг; J — индекс насыщения воды карбонатом кальция (J = рНо-pHs); [С02] — содержание свободной С02 в воде до ее обработки, мг/кг.

Как указано выше, для подщелачивания воды практическое применение могут найти известь, едкий натр и кальцинированная сода. Наиболее дешевый и доступный из этих реагентов — известь, однако установки для приготовления известковых растворов или известкового молока (и для его дозирования) являются наиболее сложными.

При стабилизационной обработке грунтовых вод, когда очистные сооружения отсутствуют, во избежание загрязнения воды нерастворимыми примесями извести ее следует вводить в обрабатываемую воду в виде раствора. Известковый раствор для освобождения от неосевших в сатураторах хлопьев гидроксида магния целесообразно пропускать через фильтр, загруженный мраморной крошкой, дробленым известняком или доломитом. Загрузка этих фильтров кварцевым песком нежелательна, потому что вода может обогатиться соединениями кремниевой кислоты.

В тех случаях, когда стабилизационной обработке подвергают речные воды с малым содержанием органических веществ (до 15 мг/кг), известковое молоко можно вводить в смесители перед отстойниками или осветлителями. При стабилизационной обработке речных вод, цветность которых нужно снижать коагуляцией, введение извести в воду одновременно с коагулянтом может ухудшить процесс обесцвечивания воды, для которого наиболее благоприятны низкие значения рН. На небольших и средних станциях лучше вводить получаемый в сатураторах известковый раствор в фильтрованную воду, а на более крупных станциях, если сатураторные установки оказываются чрезмерно громоздкими, приходится дозировать известковое молоко перед фильтрами: между отстойниками (или осветлителями) и фильтрами приходится устанавливать специальные смесители.

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО В ВОДЕ КИСЛОРОДА НА СКОРОСТЬ

ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ ТРУБОПРОВОДОВ

Приведены опытные данные по содержанию растворенного в воде кислорода и по скорости внутренней коррозии

трубопроводов систем горячего водоснабжения; показана прямая связь между этими параметрами. Предложен

метод, позволяющий снизить концентрацию растворенного в воде кислорода. Актуальность работы заключается в

определении причин высокой скорости коррозии трубопроводов, из-за которой происходит преждевременный

выход систем горячего водоснабжения из строя, и разработка мероприятий по устранению этих причин.

Ключевые слова: концентрация растворенного в воде кислорода, скорость внутренней коррозии трубопроводов,

индикаторы внутренней коррозии, фильтр с металлической стружкой.

Основными параметрами воды, влияющими на ее агрессивность по отношению к внутренней

поверхности труб горячего водоснабжения, являются концентрации сульфатов, хлоридов, значение

рН, содержание кислорода и свободной угольной кислоты [1]. В соответствии с [2] на сетях горячего

водоснабжения должен быть организован систематический контроль за внутренней коррозией трубо-

проводов путем анализов по индикаторам внутренней коррозии. Индикаторы коррозии служат для

оценки коррозионной агрессивности и влияния воды на внутреннюю коррозию трубопроводов. Кор-

розионная агрессивность воды определяется по потерям массы индикаторов.

Для определения коррозионной агрессивности воды в системах горячего водоснабжения был

проведен эксперимент на предприятии ООО «Удмуртские коммунальные системы». Эксперимент

включил в себя установку индикаторов внутренней коррозии в трубопроводы горячего водоснабже-

ния и параллельное взятие проб воды на содержание растворенного в ней кислорода. Сборки индика-

торов коррозии были установлены на двух ЦТП, на одной из которых удаление растворенного в воде

кислорода не предусматривается, на другой осуществляется способом вакуумной деаэрации. Сборки

индикаторов были установлены по ходу движения воды до деаэрационной колонны, после нее и в

удаленной точке участка трубопровода на сети горячего водоснабжения. На ЦТП, не имеющей де-

аэрационной колонны, индикаторные сборки устанавливались на трубопроводы, находящиеся в по-

мещении ЦТП и в удаленной точке участка трубопровода.

              В большинстве случаев внутренняя коррозия оборудования и трубопроводов систем горячего

водоснабжения обусловлена присутствием в воде растворенных коррозионно-агрессивных газов,