Коррозия в системах теплоснабжения

Введение 

 

Коррозия (лат. «corrosio»  - разъедать) - естественное разрушение твердых тел, вызванное химическими процессами на их поверхности, под воздействием окружающей среды.

Надежность и экономичность  систем централизованного теплоснабжения городов и промышленных объектов, а также их теплоисточников - теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и котельных, в значительной мере определяется эффективностью защиты оборудования и трубопроводов от внутренней и внешней коррозии. Совершенствование технологий защиты воды систем теплоснабжения от насыщения коррозионно-агрессивными газами является актуальной задачей, решение которой позволит продлить срок эксплуатации и обеспечить надежную безаварийную работу систем теплоснабжения.

Целью работы является изучение коррозионного  воздействия на системы теплоснабжения и существующих методов борьбы с данным воздействием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- рассмотреть сущность коррозионного  воздействия на материалы, его  виды и факторы;

- представить существующие способы  борьбы с рассматриваемым видом  разрушения.

 

 

 

 

 

 

 

1 Процесс коррозионного разрушения  систем теплоснабжения

 

Теплоснабжение  — снабжение теплом с помощью теплоносителя (горячей воды или пара) систем отопления, горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и технологических потребителей. Самое распространенное в России отопление – водяное. В этом случае тепло передается в помещения горячей водой, содержащейся в приборах отопления.

Вода, как теплоноситель, по сравнению с паром обладает рядом преимуществ: возможность  осуществления центрального качественного  регулирования отпуска тепла; поддержание необходимой по гигиеническим условиям температуры нагревательных приборов (в том числе ниже 100°С); снижение среднесуточного давления пара для нагрева воды, циркулирующей в тепловых сетях, а, следовательно, уменьшение расхода топлива при теплоснабжении от ТЭЦ; несложность присоединений к тепловым сетям; простота обслуживания и бесшумность в работе.

Однако у данного теплоносителя  имеется существенный недостаток, сказывающийся  на всей надежности и экономичности  тепловых установок и сетей –  подверженность влиянию коррозии.

Различают внутреннюю и внешнюю коррозию систем теплоснабжения. Повреждения, вызванные внутренней коррозией, обычно имеют вид небольших сквозных отверстий, когда дно коррозионной лунки достигает внешней поверхности трубы или щели в сварочном шве. Протечки через такие повреждения невелики, и их трудно обнаружить. Обычно они своевременно не устраняются. Сетевая вода, выходя под давлением из сквозного отверстия, увлажняет и разрушает гидро - и теплоизоляцию. В результате на наружной поверхности трубы создаются благоприятные условия для интенсивного развития наружной коррозии.

В отличие от внутренней коррозии, наружная реализуется как сплошное утонение металла на большой площади. Когда толщина стенки трубы уменьшается до критической величины, она разрушается, образуя интенсивную протечку теплоносителя.

Основной  причиной внутренней коррозии водяных  систем теплоснабжения является присутствие в сетевой воде растворенных коррозионно-активных газов: кислорода и диоксида углерода. В формировании коррозионных отложений в трубопроводах решающую роль играют процессы кислородной коррозии, протекающие в форме электрохимической коррозии в паре «металл - вода».

Электрохимическая коррозия появляется в результате взаимодействия металла с электролитами и сопровождается протеканием электрического тока от одной части металла к другой. За счет этого в воде возникают гальванические элементы. При этом участки с более низким электрохимическим потенциалом являются анодами, а участки с более высоким электрохимическим потенциалом – катодами. Возникающая разность потенциалов вызывает перемещение электронов от анода к катоду, что обусловливает коррозию металла на анодных участках. Это резко сокращает срок службы водонесущего элемента. Кроме того, коррозионные отложения обусловливают существенное увеличение гидравлического сопротивления и, как следствие, перерасход электроэнергии на транспортирование воды. В системах хозяйственно-питьевого водоснабжения коррозия нежелательна еще и по той причине, что вызывает так называемое вторичное загрязнение транспортируемой воды.

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

Скорость коррозии стальных труб прямо  пропорциональна концентрации растворенного  кислорода и температуре воды. Интенсивность ее оценивается по шкале интенсивности внутренней коррозии - проницаемости язв в глубину металла (таблица 1).

Теплосеть представляет собой протяженный  замкнутый стальной контур с циркулирующим  теплоносителем и локализованным источником поступления кислорода. Этим источником служит обычно подпиточная вода. Кислород в подпиточной воде присутствует в основном из-за неполной деаэрации сырой воды, присосах охлаждающей воды в охладителях деаэратора, вторичной аэрации в баках-аккумуляторах и присосах воздуха в подпиточном тракте.

В теплосетях вода насыщается кислородом при завоздушивании системы, а также из-за присосов сырой водопроводной воды через неплотности подогревателей горячего водоснабжения (ГВС).

Таблица 1 - Шкала интенсивности внутренней коррозии оборудования

Группа интенсивности	Скорость   (проницаемость) коррозии, γ, мм/год	Интенсивность коррозионного процесса
1	γ < 0,04	Слабая
2	0,04 < γ < 0,05	Средняя
3	0,05 < γ < 0,20	Сильная
4	γ > 0,20	Аварийная

В открытых системах теплоснабжения с переменным расходом сетевой воды и неустойчивым гидравлическим режимом  основной причиной попадания воздуха  в сетевую воду является опорожнение  местных систем отопления.

 

2 Методы защиты систем теплоснабжения от коррозионного разрушения

 

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.

При использовании воды как теплоносителя  ее состав оптимален, если при повышенной температуре на внутренних поверхностях не возникает коррозия металла и  не происходит выделения осадков  карбоната кальция. Для поддержания  такого состава воды необходимо контролировать параметры: водородный показатель pH, содержание кислорода и диоксида углерода, общая жесткость, щелочность, концентрация хлоридов и сульфатов.

При получении кондиционированной воды для тепловых сетей руководствуются  нормами качества воды для подпитки тепловых сетей СНиП 11-36-73 «Тепловые сети. Нормы проектирования». В сетях горячего водоснабжения и при открытой системе теплоснабжения вода для подпитки также должна удовлетворять требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Сетевая вода теплоснабжения должна удовлетворять следующим нормам:

- свободная углекислота — отсутствие;

- растворенный кислород — 0,1мг/л,

- рН — 6,5 — 8,5;

- карбонатная жесткость — 1,5 ммоль/л;

- взвешенные частицы — не более 5 мг/л.

В системах отопления во избежание  общей коррозии медных труб рекомендуется  поддерживать значение рН =7,5-9,0, щелочность (НСО3) не менее 70мг/л соотношение НСО3/SО4 >1, содержание хлорида <50 мг/л, содержание твёрдых веществ < 7 мг/ л, и содержание углекислого газа не более 45 мг/л.

Для предотвращения электрохимической  коррозии металлов в воде при взаимодействии с медью применяют: защитные и  изолирующие покрытия, ингибирование  и деаэрация воды, а также другие методы.

Самый простой способ — использовать толстостенные стальные трубы, создавая, таким образом, запас металла  на коррозию. А уменьшая коррозионную активность воды водоподготовкой, можно  довести срок использования стальных трубопроводов до 20-30 лет.

Для уменьшения коррозии металлы легируют или используют сплавы с высокой  коррозионной стойкостью. Нержавеющие  стали созданы путем легирования  железа никелем, хромом, кобальтом; и  в результате поверхностная коррозия в них идет с малой скоростью. В последнее время количество трубопроводов из нержавеющий сталей растет.

Высокой коррозионной стойкостью обладают никель, алюминий, медь, титан и сплавы на их основе. Их применение, несмотря на значительную стоимость, позволяет создавать инженерные конструкции практически не подверженные коррозии, а потому, с учетом эксплуатационных расходов экономически более оправданные.

В случаях, когда нет возможности применять металл с высокой коррозионной стойкостью, для защиты металлов от коррозии их поверхность покрывают пленками из лака, красок, эмалей или других металлов. Покрытия только защищают поверхность металла от воздействия кислорода, воды и иных агрессивных агентов и поэтому очень важно качество таких покрытий.

Для защиты поверхности используют покрытие металлами, корродирующими с малой скоростью, например: никелем, платиной, медью, золотом, серебром, цинком, кадмием, алюминием, оловом и другими. Самая распространенная защита железа и сталей — цинкование. Такие покрытия хорошо защищают основной металл от коррозии при сохранении его целостности.

Однако при его нарушении (царапины, трещины) в присутствии электролита  возникает гальванический элемент  и начинается электрохимическая  реакция.

Для защиты металлов используют также  силикатные покрытия — эмали. Эмалевые покрытия наносят на сталь, чугун, медь, латунь и алюминий. Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и газов, а также высокой стойкостью при повышенных температурах.

Нерастворимые продукты коррозии, покрывая поверхность металла, защищают ее, делая коррозию затухающей. Естественным образом это происходит у меди при появлении патины или формирование оксидного слоя у алюминия. Для защиты других металлов их поверхность пассивируют, то есть искусственно создают плотные оксидные или солевые труднорастворимые пленки, препятствующие разрушению основного вещества.

Катодные и анодные ингибиторы замедляют соответствующие электродные  реакции. Силикаты относятся к ингибиторам  коррозии смешанного действия, уменьшая скорости как катодной, так и анодной  реакций. Хроматы и бихроматы  натрия и калия используются как  ингибиторы коррозии железа, оцинкованной стали, меди, латуни и алюминия в  промышленных водных системах.

Пигменты красок или грунтовок  могут быть ингибиторами коррозии, например: хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO4, PbCrO4, ZnCrO4). Наиболее простым  ингибитором атмосферной коррозии является нитрит натрия NaNO2. Часто органические ингибиторы более эффективны, чем  неорганические.

Одним из наиболее эффективных методов  борьбы с коррозией является электрохимическая  защита. Для защиты, например, подземных  трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные  инертные электроды.

Защита металла другим, более  активным металлом эффективна и без  наложения разности потенциалов. Для  защиты трубопровода используют протектор  – анод из более активного металла (для железа это магний, цинк, алюминий), который постепенно разрушается, защищает основной металл. С помощью одного магниевого анода защищают до 8 км трубопровода.

Защитой от разрушения блуждающими  токами является соединение металлическим  проводником участка конструкции, с которого стекает блуждающий ток, с рельсом, по которому движется трамвай  или электропоезд.

Основной вклад в коррозию металла  трубопроводов вносит внешняя среда. В связи с этим используют изоляционные покрытия, уделяя особое внимание защите сварных стыковых соединений. При  прокладке трубопроводов в грунте для снижения кислотности почвы проводят известкование и иные меры, уменьшающие коррозионную активность среды.