На главную Обратная связь Карта сайта

Статьи по теплоизоляции

Внутренняя коррозия в открытых системах теплоснабжения и пути её понижения
В.С. Слепченок, инженер,
ГУП «ТЭК СПб»,
К.Н. Брусов, к.т.н., АОО
«Колтроникс», Санкт-Петербург
Скопленный в ГУП «ТЭК СПб» опыт указывает,
что есть настоящие способности сделать лучше работу открытых систем. Для этого
необходимо вместе с внедрением новейших тепло водоизоляционных покрытий
трубопроводов сосредоточить усилия на очень возможном понижении внутренней
кислородной коррозии
Имеющиеся системы теплоснабжения
Санкт-Петербурга характеризуются высочайшей повреждаемостью, большими тепловыми
потерями и, как следствие, недостаточной (ниже расчётной) экономичностью
эксплуатации тепловых сетей. Низкая надёжность и экономичность тепловых сетей -
следствие технической политики, проводившейся в нашей стране на протяжении
нескольких десятилетий. Понижение надёжности трубопроводов и их разгерметизация
значительно наращивают непроизводительные издержки по эксплуатации тепловых
сетей, на предприятиях, в дорожно-транспортном хозяйстве и благоустройстве
города, наращивают расходы на ликвидацию последствий аварийных ситуаций и
подтопления территорий. Величина непроизводительных издержек и вреда в городском
хозяйстве составляет 5-6 тыс. $ на 1 км тепловой сети в год. Одной из причин
снижения надежности является внутренняя коррозия трубопроводов. Влияние
внутренней коррозии на уровень эксплуатации систем теплоснабжения с открытым
горячим водоразбором разглядим на примере ГУП «ТЭК СПб» - 1-го из крупнейших
производителей и поставщиков тепловой энергии на нужды теплоснабжения городка.
На балансе ГУП «ТЭК СПб» по состоянию на
1.01.1999 г. находятся 5312 км трубопроводов тепловой сети в однотрубном исчислении
диаметром от 57 до 1400 мм, из их 770,5 км с поперечником выше 325 мм -
магистральные трубопроводы. Тепловая энергия от собственных котельных
транспортируется по тепловым сетям компании, которые составляют 61%
балансовой длины. 39% балансовой длины трубопроводов транспортируют тепло от
восьми ТЭЦ
АО «Ленэнерго» и пары ТЭЦ и
котельных остальных организаций городка. Распределение длины сетей по диаметрам
трубопроводов для сетей от собственных и посторониих теплоисточников показано на
рис.1.

Общее количество трубопроводов, которые транспортируют
тепло в системах теплоснабжения с открытым горячим водоразбором, составляет 4
903 км. Около 390 км транспортируют тепло в системах закрытого теплоснабжения,
в основном от котельных мощностью до 12 МВт (групповых). Транспортировка
потребителям воды лишь для нужд горячего водоснабжения осуществляется
трубопроводами длиной около 516 км.
Крупная часть сетей работает на
деаэрированной невской воде городского водопровода. В котельных мощностью менее
12 МВт деаэрация воды в основном отсутствует. Лишь 77,6 км (2%) трубопроводов
тепловой сети компании оборудованы установками защиты от блуждающих токов.
За период 1997-1999 гг. среднегодовая
удельная повреждаемость тепловых сетей компании составила 1,2 отк./км
трубопровода, за отопительный сезон -0,26 отк./км. Исходя из актов осмотра
дефектных труб персоналом филиалов компании, следует, что крупная часть
повреждений (73-77%) обоснована внешной коррозией. Это согласуется с данными
наблюдений за тепловыми сетями остальных компаний [ 1,2,3 ]. Но необходимо
отметить, что около 45-50% отказов на тепловых сетях соединены с трубопроводами,
которые имели явные признаки совместного деяния внутренней и наружной
коррозии на поверхности сплава труб. Но так как внешняя коррозия была
проявлена наиболее активно, чем внутренняя, коррозия трубопровода,
эксплуатационный персонал определил предпосылкой возникновения отказа первую из их.
Повреждения, вызванные внутренней коррозией, традиционно имеют вид небольших
сквозных отверстий, когда дно коррозионной лунки добивается наружной поверхности
трубы либо щели в сварочном шве. Протечки через такие повреждения невелики, и их
трудно найти. Традиционно они вовремя не устраняются. Сетевая вода, выходя
под давлением из сквозного отверстия, увлажняет и разрушает гидро- и
теплоизоляцию. В итоге на внешной поверхности трубы создаются
благоприятные условия для интенсивного развития внешной коррозии. В отличие от
внутренней коррозии внешняя реализуется как сплошное утонение сплава на
большой площади. Когда толщина стены трубы миниатюризируется до критической
величины, она разрушается, образуя интенсивную протечку теплоносителя. Эти
предположения требуют корректировки результатов осмотра эксплуатационным персоналом
дефектных участков трубопроводов. В итоге корректировки можно утверждать,
что конкретно внутренняя коррозия является первопричиной появления около
половины отказов на трубопроводах, хотя предпосылкой была указана наружная
коррозия. Для уточнения вклада внутренней коррозии была проанализирована
статистика устраненных повреждений трубопроводов компании за 1997-1999 гг. с
учетом их поперечника, критерий прокладки сетей и направления движения
теплоносителя. На рис. 2 показано отношение повреждений в подающих и обратных
трубопроводах для всех сетей и раздельно для участков подвальной прокладки.

Из рис.2 видно, что повреждаемость подающих
трубопроводов для сетей в целом и на участках подвальной прокладки была
примерно в 3-4 раза выше, чем в обратных трубопроводах. Так как на участках
подвальной прокладки внешной коррозией в масштабах всего компании можно
пренебречь, то следует признать, что различия в повреждаемости были вызваны
внутренними причинами, а конкретно различиями физико-химических характеристик теплоносителя.
Эти различия сохраняются и для сети в целом. То событие, что и в этом
случае наблюдалось приблизительно такое же соотношение повреждаемости прямых и
обратных трубопроводов, дает основания считать, что доминирующий вклад в
повреждаемость сетей вносит внутренняя, а не наружная коррозия.
На решающую роль внутренней коррозии
указывает также зависимость удельной поверхностной повреждаемости (количество
повреждений на единицу площади поверхности трубопровода) от диаметра
трубопроводов, рис.3.
В спектре поперечников 50-200 мм сетевые
трубопроводы имеют начальную толщину стены 3,5-4,5 мм. Очень небольшие
различия в толщине стены не существенны для внешной коррозии. Потому с ее
помощью нереально разъяснить наблюдаемые гладкие зависимости понижения повреждаемости
в 5-6 раз при увеличении поперечника от 50 до 200 мм. Напротив, как будет показано
ниже, внутренняя коррозия, кроме иных причин, значительно зависит от
гидродинамики потока, что описывает влияние поперечника трубы на ее
повреждаемость.
Начальной предпосылкой коррозии углеродистой
стали в природных водах при умеренных параметрах является растворенный в воде
кислород. Понятно [5], что незапятнанная поверхность железа чрезвычайно быстро вступает в
реакцию с растворенным кислородом, и скорость всего процесса определяется
(лимитируется) способностями его доставки. Остальные коррозионнозначимые факторы
опосредуют действие кислорода через влияние на характеристики слоев продуктов
коррозии, образующихся на поверхности стали. Ежели образуются слои, которые
эффективно препятствуют проникновению через их кислорода, железные конструкции
могут долгое время сохранять полезные характеристики. В неприятном случае сталь
будет быстро разрушаться.
Теплосеть представляет собой протяженный
замкнутый металлической контур с циркулирующим теплоносителем и локализованным
источником поступления кислорода. Сиим источником служит традиционно подпиточная
вода. Кислород в подпиточной воде находится 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.
Распространяясь от источника совместно с
теплоносителем, кислород равномерно расходуется в коррозионных реакциях со
стальными стенами трубопрово
дов. В
результате его концентрация по мере удаления от источника понижается, а более
удаленные участки сети (обратные трубопроводы), работающие в спектре более
низких температур, защищаются от коррозии образованием защитных пленок.

На большинстве участков сети, кроме домовых
систем, теплоноситель движется в турбулентном режиме. Для круглой трубы
массоперенос в турбулентном потоке описывается критериальным уравнением [6]:
=0,023
,
,
(1),
- число Нуссельта,
- число Рейнольдса,
-число Шмидта.
)),
,
(2),
где N - удельный поток массы (на единицу
концентрации) на поверхность трубы,
-
диаметр трубы,
- коэффициент диффузии кислорода, cb,
- концентрация кислорода в ядре потока и на
поверхности трубы, соответственно,
-
кинематический коэффициент вязкости. Исходя из уравнения (1) были рассчитаны
возможные значения потока массы кислорода на стену N для средних условий
теплосети.
Как видно на рис.4, удельный поток
кислорода N возрастает при росте скорости движения теплоносителя и
уменьшении поперечника трубы. Эта зависимость отменно подтверждает вывод о
преимущественно внутренних причинах коррозии, который был изготовлен при рассмотрении
результатов на рис.3. Количественные расхождения могут быть устранены, если
учесть, что ранее при проектировании сетей воспринимали наиболее высочайшие скорости в
трубах наименьшего поперечника, также наличие ржавчины, ускоряющее со временем
движение теплоносителя тем больше, чем меньше поперечник.
Для сетей в целом вероятный диапазон
изменения N составляет 0,004-0,02 см с
. Это значит, что при
одной и той же концентрации кислорода скорость коррозии в сети может изменяться в
5 раз.
Исходя из уравнения (1), были рассчитаны
и сопоставлены с измерениями в сетях величины поглощения кислорода в стальных
водогрейных котлах и на участках трубопроводов разных поперечников, так как
процессы, возникающие в их, в целом схожи. Расчеты демонстрируют, что при
работе водогрейный котел ПТВМ-50 должен всасывать около 50% поступающего в него
кислорода.
Как видно на рис.5, приобретенное расчетное
значение удовлетворительно согласуется с плодами измерений кислорода,
выполненных на пары работающих котлах ПТВМ-50.
На рис.6 приведены результаты расчетов
коррозионного поглощения кислорода в сетевых трубопроводах в форме длины
участка
5, на котором
концентрация кислорода миниатюризируется вдвое. Согласно им для уменьшения
концентрации кислорода в магистральных трубопроводах поперечником больше 400 мм
необходимо от 1 до 4,5 км трассы, тогда как в распределительных трубопроводах
для этого необходимо всего несколько сотен метров.
Оценочные расчеты конфигурации концентрации
в тепловой сети с типовым теплоисточником мощностью 320 МВт проявили, что
основное падение концентрации кислорода обязано происходить в распределительных
трубопроводах поперечником 150-200 мм. Отношение концентрации кислорода в сетевой
воде на выходе из котельной (подающий трубопровод) к концентрации кислорода на
входе (обратный трубопровод) обязано быть не меньше 4-5. Вправду, при
корректном отборе пробы концентрация кислорода на выходе из котельных
предприятия составляет в среднем 40-50 мкг/кг, обратная вода традиционно содержит
менее 10 мкг/кг кислорода. Таковым образом, результаты анализа статистики
повреждаемости сетей компании и переноса в их кислорода приводят к
согласованному выводу - надежность, продолжительность и эффективность работы систем
теплоснабжения значительно посильнее зависят от интенсивности внутренней
кислородной коррозии, чем числилось ранее. Высококачественное улучшение характеристик
работы открытых систем лишь методом совершенствования теплогидрозоляции сетевых
трубопроводов без существенного улучшения водно-химического режима
представляется маловероятным.

Конкретный способ сведения к минимальному уровню
процесса внутренней коррозии - устранение путей попадания кислорода в
подпиточную и сетевую воду. Ликвидация этих путей просит огромных капитальных
затрат на переоснащение технологических схем и оборудования котельных, переход
на закрытую схему теплоснабжения, на переоборудование личных тепловых
пунктов спостроек, центральных тепловых пт и домовой системы горячего
водоснабжения. Естественно, в обозримом будущем это малове
роятно. Иной способ - всемерное ужесточение требований к
содержанию кислорода, высококачественное увеличение уровня контроля за его содержанием
и проведение противокоррозионных мероприятий, включающих надежную консервацию
систем в межотопительный период и коррозионное ингибирование сетевой воды в
отопительный период.
Долгое применение силиката натрия в качестве
рекомендуемого нормативного ингибитора кислородной коррозии не выявило его
заметной эффективности, но совместно с тем показало, что на верхнем разрешенном
уровне 30-40 мг/л наблюдается заметное ухудшение органолептических свойств
горячей воды. В текущее время силикат натрия в качестве ингибитора на
тепловых сетях компании фактически не применяется. Остальных эффективных
ингибиторов кислородной коррозии, допустимых к применению в воде питьевого
качества, до ближайшего времени понятно не было.
Следует отметить, что предлагаемые
сегодня композиции фосфоновых кислот и солей цинка являются по прямому
назначению действенными ингибиторами карбонатных отложений [7]. Их
использование не избавляет необходимости проведения антикоррозионных
мероприятий. Природная невская вода - мягенькая и малощелочная - при параметрах
систем теплоснабжения никогда не образует солевых отложений. Но даже ежели бы
был выявлен противокоррозионный эффект в невской воде (таковых испытаний не
проводилось) необходимость их внедрения в открытых системах оставалась бы
под вопросцем из-за огромных издержек на реагенты. Ориентировочно для типовой
системы мощностью 320 МВт было бы нужно расходовать в год порядка 10 тонн
этого ингибитора стоимостью 2-3 млн. рублей.

Осознавая крайнюю необходимость замедления внутренней
кислородной коррозии в системах теплоснабжения, ГУП «ТЭК СПб» и ООО
«Колтроникс» в 1993 г. начали исследования совсем новейшего типа коррозионного
ингибитора - химически инертного коллоидно-углеродного. Наблюдения за
поведением кислорода в тепловых сетях проявили, что ржавчина не только лишь не
препятствует проникновению кислорода к поверхности сплава, но, напротив, может
создавать новейшие, возможно осмотические, механизмы транспорта кислорода к
поверхности и отвода от нее товаров коррозии. Ежели нарушить действие
аномально больших устройств подвода кислорода, можно резко понизить общую и,
особенно страшную, локальную кислородную коррозию стали.
Сначало основное внимание было
сосредоточено на исследовании способности защитить при помощи коллоидного ингибитора
стальные водогрейные котлы, как более подверженный кислородной коррозии и
удобный для наблюдений компонент системы теплоснабжения. За восемь лет таких
наблюдений за работой наиболее 40 железных котлов типа ПТВМ-30 и ПТВМ-50 было установлено,
что при концентрации ингибитора в сетевой воде 20-50 мкг/кг коррозионный ресурс
котлов возрастает в пару раз. При нормируемых и равномерно высоких
содержаниях кислорода в сетевой воде (до 100-200 мкг/кг) исключается
необходимость проведения чисток котлов в течение долгого, ориентировочно 10
лет, периода. При всех вероятных концентрациях кислорода гидравлическое
сопротивление котлов стабилизируется на уровнях, позволяющих эксплуатировать их
в течение всего отопительного сезона.
Оценка коррозионной эффективности
коллоидного ингибирования в отношении имеющихся тепловых сетей объективно
затруднена их малой доступностью, разветвленностью, огромным коррозионным
ресурсом, отличиями в сроках службы разных участков. Не считая того, необходимо
учитывать такие причины как внешняя коррозия, электрокоррозия, недостатки в
проектировании, в монтаже трубопроводов тепловых сетей, их ремонте и
обслуживании.
Тем более, восьмилетние наблюдения
почти за 20-ю открытыми системами теплоснабжения, работающими с концентрацией
ингибитора в сетевой воде 20-50 мкг/кг, демонстрируют последующее:
1. В течение первого отопительного сезона
с коллоидным ингибированием происходит постепенное понижение цветности сетевой
воды до уровня цветности подпиточной воды. В предстоящем качество сетевой воды
полностью определяется составом начальной водопроводной воды. В настоящее время
в большинстве систем цветность воды не превосходит 15 градусов.
2.В течение первых отопительных сезонов в
результате ингибирования наблюдается увеличение эффективности теплоотдачи
домовых систем на 5-10% за счет удаления осадков из отопительных устройств.
Отмывка происходит равномерно не вызывает ухудшения свойства сетевой воды.
3.

Через пару лет возникает устойчивая тенденция к
стабилизации и потом к понижению повреждаемости сети в среднем на 10-15% в год
при ежегодных размерах перекладки 3-5% участков сети. Эта тенденция особенно
отчетливо проявляется на фоне наблюдаемого роста повреждаемости сетей сторонних
источников, рис.7.
4.
Индикаторы коррозии, установленные в сетях с
ингибированием, демонстрируют на фактически полное отсутствие локальной коррозии
при всех содержаниях кислорода. Замедление скорости сплошной коррозии при
ингибировании начинается через2-3 месяца. В следующем скорость сплошной
коррозии в отопительный период ориентировочно составляет менее 2-3 мкм/год
на каждые 10 мкг/кг кислорода в сетевой воде.
5.
Нужно отметить, что работы по вводу ингибитора на
первом шаге проводились на 4-х открытых системах теплоснабжения с
установленной мощностью котельных 320 МВт, где трубопроводы тепловых сетей
имели высшую повреждаемость, а водогрейные котлы ПТВМ-50 нередко выходили из
рабочего состояния. Лишь с 1996 г. началось внедрение на других наиболее
мощных 16 открытых системах теплоснабжения. Для анализа были выбраны
относительно сравнимые по мощности и срокам эксплуатации трубопроводов открытые
системы теплоснабжения, транспортирующие тепло от различных источников
теплоснабжения. Анализ показал, что невзирая на незначимый срок применения
ингибирования, рост повреждаемости в трубопроводах отсутствует(рис. 7). В то же
время имеется неизменная тенденция роста удельной повреждаемости трубопроводов,
транспортирующих тепло от посторониих источников
6.
Применение в открытых системах теплоснабжения Невского
филиала(в основном ТЭЦ «Ленэнерго») химически. инертного коллоидно-углеродного
ингибитора привело к понижению удельной повреждаемости трубопроводов,
транспортирующих тепло от 1 и 2 Правобережных котельных. В то же время наблюдается
непрерывный рост удельной повреждаемости трубопроводов транспортирующих тепло
от ТЭЦ №5 «Ленэнерго», рис. 8. Термо сети от всех выше перечисленных
источников были построены наиболее 25 годов назад.
Создававшиеся в течение почти всех лет открытые
системы теплоснабжения в текущее время заслуженно подвергаются критике за
низкую надежность, огромные утраты тепла, высочайшие эксплуатационные и ремонтные
затраты. Сложилось убеждение, что вероятной единственной альтернативой
качественного улучшения теплоснабжения является переход на закрытую схему.
Но скопленный в ГУП «ТЭК СПб» опыт
показывает, что есть настоящие способности сделать лучше работу открытых
систем. Для этого нужно вместе с внедрением новейших теплогидроизоляционных
покрытий трубопроводов сосредоточить усилия на очень возможном снижении
внутренней кислородной коррозии, используя наиболее совершенные способы и приборы
контроля кислорода, современное оборудование и технологии антикоррозионной
защиты.
1.Альбертинский Л.И., Липовских В.М. Пути
увеличения срока службы тепловых сетей// Энергетик.1990. №10. С.10.
2.Пакшин А.В., Родичев Л.В. Протяженность
и ресурсосбережение при применении теплопроводов в ППУ-изоляции. Информац. бюл.
«Теплоэнергоэффективные технологии». Доп. вып.СПб. 1996. С.12.
3.Ромейко В.С. и др. Защита трубопроводов
от коррозии// М.:ВНИИМП, 1998.
4.Балабан-Ирменин Ю.В., Липовских В.М.
Рубашов А.М. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловыхс
етей//М.: Энергоатомиздат.1999.
5.Скорчелетти В.В. Теоретические основы
коррозии металлов//Л.: Химия. 1973.
6.Ньюмен Дж. Химические системы//
М.: Мир. 1978.
7.Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М.,
Думнов В.П. Трудности внедрения антинакипинов в системах
теплоснабжения//Промышленная энергетика. 1996. №4. С.11.