Коррозия в системах теплоснабжения

 

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.