Рост  аварийности  в  системах  теплоснабжения  является     следствием  того,  что существующие в настоящее время методы обработки воды для снижения скорости коррозии из-за своего технического и технологического несовершенства не всегда обеспечивают должную защиту оборудования. При этом не последнюю роль играет низкий уровень технической эксплуатации, в частности в подавляющем большинстве котельных коммунальной теплоэнергетики при выводе оборудования в резерв или ремонт не проводится его консервация.

 

Выделяя в воду продукты своей жизне­деятельности,  микроорганизмы  не только отрицательно влияют на ее качество, но и способствуют интенсивному обрастанию внутренней поверхности трубопроводов.

В отечественной теплоэнергетике для предотвращения различного рода отло­жений и коррозии подготовка лодпиточной воды систем теплоснабжения в общем слу­чае включает стадии умягчения воды и по­следующей ее деаэрации. Для обеих стадий обработки воды характерно значительное и чрезвычайно неэффективное ресурсо- и энергопотребление.(рис. 1)

Недостатками умягчения воды натрий-кабонированием являются:

• непрерывное потребление привозной соли;
• большой расход свежей воды на соб­ственные нужды химводоочистки;
• загрязнение водоемов засоленными сточными водами, прежде всего хлоридами.

Деаэрация воды является наиболее энергоемким процессом подготовки воды в теплоэнергетических установках.

 

Вакуумная деаэрация, получившая рас­пространение как безальтернативная в л е-риод массового строительства водогрейных котельных для теплофикации населенных пунктов, не обеспечивает надежную защиту оборудования. По данным Всероссийского теплотехнического института, реальное со­держание кислорода в подл и тонн ой воде после вакуумной деаэрации в среднем на 26 мкг/кг выше нормы. Б результате в систе­мах протекает сильный, вплоть до аварийно­го коррозионный процесс, сопровождаемый, как правило, язвенным разрушением метал-ла. Вероятно, по этой причине в США ваку­умная деаэрация не применяется вообще.

В настоящее время в системах тепло­снабжения как альтернатива умягчению воды все более широкое применение нахо­дят ингибиторы накипеобразоеания (анти-накипины, комплексоны, фосфонаты), и в первую очередь соединения на основе фос-фоновых кислот (комплексоны, фосфона­ты): 1 -гидроксиэтилиден-1,1 -дифосфоновая кислота (ОЭДФ), нитрилотриметилфосфо-новая кислота (НТФ), ингибитор отложения минеральных солей (ИОМС-1 ) их цинковые комплексы и другие реагенты.

Эти соединения благодаря специфиче­ской стереохимии обладают рядом свойств, с одной стороны определяющих высо­кую экономическую эффективность этих реагентов, с другой - в значительной мере ограничивающих область эффективного их применения.

Изучение рынка так называемых анти-накипинов показывает, что отечественны­ми и зарубежными фирмами предлагается

большой ассортимент реагентов, причем под разными товарными марками часто скрывается одно и то же химическое ве­щество. Чисто коммерческий характер этих предложений, многообразие используемых терминов, а также отсутствие в доступной для технических специалистов литературе данных с§ эффективности предлагаемых реагентов вообще и сравнительной эф­фективности в частности затрудняет осо­знанный и целенаправленный выбор инги­битора. Зачастую изготовители, пользуясь отсутствием систематических исследований физико-химических свойств этих реагентов, либо завышают их потребительские свой­ства, либо приписывают им отсутствующие свойства.

Усуеубляет ситуацию появление раз­личного рода околотехнических, а по сути рекламных публикаций, имеющих поверхностный икрайне непрофессио­нальный уровень изложения материа­ла, бесполезных для специалистов и вредных для эксплуатационников.

Непрофессиональное применение ком­плексное не раз приводило к авариям в системах теплоснабжения и породило здо­ровый скептицизм теплоэнергетиков по от­ношению к комплексонэм.

Успех приходит лишь тогда, когда выбор реагента сделан осознанно, а внедрение ведется по определенным правилам.

Знание и понимание механизмов иниц­иирования, влияния отдельных факторов на характеристики протекающих в водных средах процессов обусловливают и успеш­ность применения ингибиторов в цепом. А пренебрежение основополагающими и фундаментальными закономерностями в этой области (или простое незнание их) закономерно ведет к повреждению обору­дования.

При принятии решения о практическом применении того или иного ингибитора сле­дует иметь в виду, что в настоящее время универсального реагента, позволяющего решить проблемы накипеобразования и (или) коррозии в любых условиях, не суще­ствует. Область эффективного применения фосфонатов в значительной степени огра­ничена действием целого ряда разнона правленных факторов. В табл. 1 приведены функциональные возможности некоторых отечественных реагентов, наиболее широ­ко применяемых в системах теплоснабже­ния, а также недавно разработанного инги­битора ИОМС-2.

Необходимо четко представлять себе₁ что фосфонаты ингибируют практически только кэльциево-карбонатное накипе-образование, но не ингибируют отложения сульфатов и соединений железа, более того_г при содержании в воде железа выше 0,5 мг/кг эффективность фосфонатов су­щественно снижается. К тому же область результативного применения фосфонатов в значительной степени ограничена на-кипеобразующими свойствами воды из-за возможности образования мало раство­римых соединений, имеющих полимерное строение.

Кроме того, все известные схемы перево­да котлов ДКВР на водогрейный режим, а также жаротрубные котлы имеют целый ряд конструктивных особенностей, способству­ющих развитию накипеобразования:

-  высокую температурную и гидравличе­скую неравномерность (развертку) между трубами котла;

-  наличие застойных зон в барабанах;

-  низкую скорость потока воды,

В этих условиях применение фосфонатов в виде индивидуальных продуктов не всег­да обеспечивает беэнакипный режим рабо­ты этих котлов.

Цинковые комплексы фосфонатов при определенных условиях проявляют свой­ства ингибиторов коррозии. Так, цинковый комплекс ОЭДФ обеспечивает полную защиту металла при содержании его в воде более 30 мг/кг, что е 6 раз превышает ПДК. При содержании в пределах ПДК (5 мг/кг) цинковый комплекс ОЭДФ в жесткой воде может не ингибировать, а стимулировать коррозию, а в мягкой воде способен раз­виваться наиболее опасный вид локальной коррозии.

В условиях экономического кризиса не­обходимо внедрение технически и эконо­мически доступных технологий, позволяю­щих решить задачу не только энерго- и ресурсосбережения, но и реанимации тру­бопроводов систем теплоснабжения при максимально возможном упрощении и уде­шевлении избираемых средств.

Для расширения области эффективно­го применения фосфонатов специалиста­ми ИТЦ «ОРГХИМ» в 1994 г. на основе цинкового комплекса ОЭДФ и модифици­рованных природных полимеров создан ингибитор накипеобразования и корро­зии - композиция ККФ. Многолетними ис­следованиями и натурными испытаниями в различных системах теплоснабжения и го­рячего водоснабжения (ГБС) установлено, что композиция ККФ является ингибитором карбонатного, сульфатного, железоокисно-го накипеобразования, электрохимической и биологической коррозии. В настоящее время на ее основе разработаны энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые технологии:

-   стабилизации жесткой недеаариро-ванной подл и точной и сетевой воды систем теплоснабжения, горячего водоснабжения, оборотного охлаждения [1, 2];

-    отмывки котлов и трубопроводов от отложений «на ходу» [1,2];

-    ускоренной отмывки систем паро- и теплоснабжения от всех видов отложений [3, 4];

-    консервации оборудования и сетей, совмещенной с отмывкой от отложений и бактерицидной обработкой [5].

В общем случае коррозия стали в воде систем теплоснабжения имеет язвенный характер и обусловлена электрохимической реакцией, при которой на поверхности ме­талла протекают два сопряженных процес­са - анодный и катодный. Система «анод -вода - катодй является короткозэмкнутым гальваническим элементом, одна из воз­можных схем такого элемента изображена на рис. 2.

 

Исследованиями этого наиболее харак­терного язвенного повреждения трубопро­водов теплосети установлено, что жидкость внутри язвы имеет кислую реакцию, несмо­тря на щелочную реакцию сетевой воды.

Под воздействием таких факторов, как высокая температура, присутствие в воде агрессивных газов 0₂ и С0₂, низкое значение рН. повышенное содержание сульфатов, хлоридов, железа и др., язвы интенсивно развиваются и рано или поздно переходят в свищи. Прекратить развитие язвы можно, только удалив перегородку, накрывающую полость язвы, т.е. разрушив отложения.

Считается, что в системах горячего во­доснабжения до 30 % повреждений в ре­зультате внутренней коррозии связаны с воздействием на металл микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности. По данным последних исследований, внутрен­няя коррозия в трубопроводах протекает наиболее сильно, если в процессе участву­ют микроорганизмы. Механизм биологиче­ской коррозии металлов исследован мало и окончательно не установлен. Сложность борьбы с биокоррозией металлов заклю­чается в том, что очень трудно различить обычную физико-химическую коррозию и микробиологическую коррозию.

Биообрастание - это особая форма био­логического сообщества, в котором мы встречаемся с удивительным физиологи­ческим разнообразием как по механизмам получения энергии так и по диапазону ис­пользуемых субстратов. Основными при­чинами, вызывающими снижение качества воды по химическим и органолептическим свойствам, является повышенное содержа­ние в ней соединений железа и присутствие железобактерий.

Сегодня железобактерии не рассматри­ваются как отдельная таксономическая еди­ница. Это физиологическое, экологическое понятие, которое объединяет микроорга­низмы, отлагающие на своих поверхностях окислы железа и образующие его оформ­ленные осадки. Даже при незначительном количестве (менее 0,3 мг/л) железа в воде (прежде всего двухвалентного) клетки ми­кроорганизмов активно аккумулируют его, так как и опыты ва ют в нем физиологическую потребность для ликвидации токсичного продукта метаболизма. Таким образом, на поверхности трубопровода появляются участки, покрытые обильными охристыми отложениями, образованными биогенным путем. В результате прогрессирующей ко­лонизации поверхности на ней интенсив­но формируются отложения со сложной неоднородной многоярусной структурой, благодаря чему возрастает число потен­циальных экологических ниш. Например, анаэробные условия под массой клеток же­лезобактерий часто обусловливают разви­тие термофильных сульфатредуцирующих бактерий, выдерживающих температуру до +90 'С и выше.

Главной жизнеобеспечивающей функци­ей сульфатредуцирующих бактерий служит стимулирование реакций восстановления сульфатной серы до сероводородной, В результате скорость коррозии возрастает в десятки раз. Применяемые бактерици­ды обычно воздействуют лишь на верхние слои биомассы, а для эффективного кон­троля роста микроорганизмов необходимо проникновение бактерицидов в объем от­ложений в целях уничтожения анаэробных бактерий.

В процессе многолетнего промышленного применения композиции ККФ выявлено ор­ганично присущее ей свойство постепенно разрушать имеющиеся е системах отложе­ния. Разрушение отложений в данном слу­чае нельзя отождествлять с растворением, ибо оно протекает не самопроизвольно, а с затратой внешней энергии.

Молекулы композиции сорбируются в ма­кро- и мезопорах отложений. Затем, увели­чивая свою энергию с повышением темпе­ратуры и давления, молекулы проникают в микролоры отложений. При этом возникают расклинивающие деформирующие силы, приводящие к снижению механической проч­ности отложений, они переходят в тонкосу-спензированное и коллоидное состояние.

Способность композиции ККФ разрушать все виды отложений и стабилизировать же­лезосодержащие соединения в молекуляр­ном или коллоидно-дисперсном состоянии была использована для разработки техно­логий промывки систем теплоснабжения «на ходу», ускоренной промывки, а также технологии предотвращения железоокисно-го накипеобразования.

Удаление продуктов коррозии, покры­вающих полость язвенных углублений, приводит не только к пассивации язв, но и к ликвидации экологических ниш для разви­тия бактерий. По данным ГОУТП «ТЭКОС» (г. Мурманск) и ОАО «Ижсталь» (г Ижевск), уже через месяц после начала дозирования композиции ККФ в систему горячего водо­снабжения запах, обусловленный жизне­деятельностью бактерий, снизился с трех баллов до одного, а затем полностью исчез. Кроме того, удаление бугристых отложений с внутренней поверхности трубопроводов приводит к снижению гидравлического со­противления и, как следствие, к экономии затрат электроэнергии на транспорт тепло­носителя.

Исследования эффективности ингиби-рования коррозии композицией ККФ в дей­ствующих системах теплоснабжения и ГВС, переведенных на подпитку жесткой неде-аэрироваиной водой, проводятся с 1999 г. [1.5-7].

Известно, что характер коррозии в систе­ме теплоснабжения изменяется не только в течение отопительного сезона (т. е. во вре­мени), но и по мере удаления от источника тепла. Поэтому коррозионные процессы контролировались в трех точках системы: до котла, после котла и в обратном сетевом трубопроводе до врезки подпиточного тру­бопровода.

Исследование коррозионных процессов осуществлялось гравиметрическим мето­дом по потере массы контрольных образцов. Гравиметрический метод считается одним из наиболее достоверных по получаемой информации, однако коррозия контрольных образцов протекает на поверхности, пред­варительно очищенной до чистого металла, а коррозия трубопроводов - при наличии на поверхности оксидных пленок и сформиро­вавшихся отложений. В эксплуатационных условиях   трубопровод   подвергается   совместному воздействию коррозионной сре­ды и механических напряжений, разрушаю­щих защитные оксидные пленки. По месту разрушений начинает протекать локальная коррозия. Для контроля фактического со­стояния трубопроводов в них вваривались контрольные участки из новой трубы.

Установлено, что композиция ККФ являет­ся ингибитором коррозии смешанного дей­ствия , т. е. одновременно тормозит анод­ную и катодную реакции за счет адсорбции и комплексообразования в поверхностном слое, формируй на поверхности металла защитную цинк-железофосфонатную плен­ку сложного химического состава пол и мо­лекулярной толщины.

Несмотря на значительное различие ис­следованных систем, скорость коррозии в недеаэрированной воде устанавливает­ся на уровне 0,008 - 0,018 мм в год, соот­ветствующем практически ее отсутствию. Важно то, что коррозия носит равномер­ный характер: на контрольных образцах и на внутренней поверхности контрольного трубопровода отсутствуют следы язвенного разрушения металла.

Основным отличием отопительных ко­тельных является чередование режимов работы и длительного холодного простоя в течение 5-6 мес. При этом теплотехни­ческое оборудование, находящееся в дли­тельном простое, подвергается стояночной (атмосферной) коррозии.

В мировой практике для защиты метал­лов оборудования от стояночной коррозии разработаны различные методы (техноло­гии), а выбор их зависит от сроков простоя (от нескольких дней до года и более) и вида останова (в резерв, в ремонт). Однако для всех способов характерны те или иные су­щественные недостатки, в первую очередь необходимость предварительной очистки защищаемых поверхностей от отложений и продуктов коррозии.

Учитывая способность композиции ККФ формировать на поверхности различных металлов защитную пленку и способность эффективно разрушать все виды имею­щихся в системе отложений, уместно было предположить, что она окажется эффек­тивным ингибитором стояночной коррозии. Испытание композиции ККФ в качестве ингибитора стояночной коррозии проводи­лось на котлах ТВГ-8, ПТБМ-30, КВГМ-100, а также на котлах ДКВР-10_Ч переведенных на водогрейный режим. Скорость коррозии контрольных образцов составила 0,012 -0_П02 мм в год. По десятибалльной шкале оценки коррозионной устойчивости металлов и коррозионной активности сред это соответ­ствует повышенной устойчивости металла (3 балла). Важно, что и при консервации корро­зия носит равномерный характер.

До консервации в барабанах котлов ДКВР-Ю имелись преимущественно бугри­стые отложения продуктов коррозии, а в трубах конвективного пучка - смешанные отложения. По окончании консервации внутренние поверхности котла были полно­стью очищены от отложений, в том числе от продуктов коррозии в полостях язвенных углублений, а поверхность металла покры­та равномерной защитной пленкой.

Выводы

1. Успешно применяемый с 1994 г. в ряде регионов России реагент - композиция ККФ - представляет собой перспективную экономически эффективную (см, табл. 2) и экологически безопасную альтернативу тра-диционным водно-химическим режимам, применяемым в теплоэнергетике. Преиму­ществом данного ингибитора является его универсальность как для стабилизации жесткой, недеаэрированной подпиточной и сетевой воды, так и для консервации всех элементов оборудования тепловой схемы котельной, включая котел, вспомогательное

оборудование и трубопроводы.

2. Метод имеет большое будущее, так как одновременно с консервацией происходит удаление отложений и биообрзстаний, т. е не требуется применение дополнительных методов очистки оборудования.

Литература

1. Потапов С. А // Новости теплоснабжения.

2002. №3(19). С. 40-43.

2. Потапов С. А, Агафонов И, Н„ Баутин Е. А, Бутров Е. Н. // Новости теплоснабжения. 2005. №8. С. 47-51.

3. Потапов С А., Антипин М. К., Косталев Б. Б., Кривощеков С. К // Новости теплоснабже­ния. 2003. № 6 (22). С. 36 - 39.

4. Поленов А. Л, Ресурсе- и энергосберега­ющие методы водоподготовки и очистки си­стем теплоснабжения. Научно-практический семинар. - Казань, КП/ им. В. И. Ленина. 2004. С. 79 - 82.

5. Потапов С. А., Ежов А. Ю., Наумов В. А., Меламед А. М. Я Новости теплоснабжения. 2007. №5(81). С. 36-40.

6. Потапов С. А., Егоров Г. М, Лесной С. М., Меламед А. М. // Новости теплоснабжения.

2003. № 10 (38). С. 50 - 53.

7. Потапов С. А., Ежов А, Ю., Мартынова И. А.//
Коррозия: материалы, защита. 2006. № 12.
С. 26-31.