Внастоящее время работа отече­ственных систем теплоснабже­ния сопряжена с рядом проблем, обусловленных ослаблением государ­ственного влияния на энергетику, по­вышением стоимости топливно-энергетических ресурсов, изношен­ностью тепловых сетей и оборудова­ния, отсутствием инвестиций на тех­ническое перевооружение и несоот­ветствием традиционно применяе­мых технологий теплоснабжения современным научно-техническим и экономическим требованиям. Нере­шенность этих проблем и низкий уровень эксплуатации снижают каче­ство и энергетическую эффектив­ность теплоснабжения, представляя угрозу для социального и экономи­ческого развития страны.

 

Средний износ тепловых сетей оценивается в 60-70%. Чтобы прер­вать процесс старения тепловых се­тей и оставить их средний возраст на существующем в настоящее время уровне, необходимо ежегодно перек­ладывать Около 4% трубопроводов. Однако из-за отсутствия комплекс­ного подхода к решению проблемы износа основных производственных фондов, динамика выхода из строя тепловых сетей в настоящее время уже существенно опережает темпы работ по их реновации.

Более 25% всех повреждений теп­ловых сетей обусловлено внутренней язвенной коррозией. Отложения в трубопроводах представляют «адс­кую» смесь минеральных солей, про­дуктов коррозии и целых колоний различных бактерий. В системах го­рячего водоснабжения до 80% пов­реждений от внутренней коррозии связаны с воздействием на металл микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности.

Одна из причин изношенности труб заключается в том, что отечест­венные системы теплоснабжения эксплуатируются на основе устарев­ших и малоэффективных технологий, разработанных еще в 50-е годы.

В таблице 1 приведены характе­ристики различных открытых систем теплоснабжения, реновацию которых проводили специалисты Центра и ко­торых объединяло одно; чрезвычай­но низкое качество сетевой воды, вплоть до запрещения ее использо­вания на нужды горячего водоснаб­жения.

Проведенными исследованиями было установлено, что одной из ос­новных причин, вызвавших снижение качества воды по химическим и орга-нолептическим свойствам, является заражение систем микроорганизма­ми, стимулирующими коррозию и ак­тивно участвующими в формирова­нии отложений.

В соответствии с действующими в рактике водоснабжения норматив­ными документами, качество воды традиционно устанавливается по на­личию в ней только тех микроорга­низмов, которые представляют сани­тарно-эпидемиологическую опас­ность для населения. При этом в сос­таве воды не учитывается и не анали­зируется присутствующая в ней сап­рофитная микрофлора (железобак­терии, тионовые, нитрифицирующие и сульфэтредуцирующие бактерии). Микроорганизмы, расселяясь в ме­таллических трубопроводах и резер­вуарах, образуют специализирован­ное сообщество, приспособленное к местным условиям и способное акти­визировать коррозионные процессы. В дальнейшем микробиологическое обрастание будем называть био­пленкой.

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

Основными причинами, способ­ствующими снижению качества воды как по химическим, так и по органо-лептическим свойствам, является повышенное содержание в ней сое­динений железа и присутствие желе­зобактерий.

Пионерами биологического об­растания трубопроводов как правило выступают железобактерии, среди которых преобладают формы с мощ­ной слизистой капсулой, скрепляю­щей клетки друг с другом и защища­ющей их от химического воздей­ствия. Железобактерии - это физиологическое, экологическое понятие.

Оно объединяет различные микроор­ганизмы, принадлежащие к различ­ным систематическим единицам из разных таксономических групп, кото­рые в процессе своей жизнедеятель­ности окисляют двухвалентное желе­зо и отлагают на своих поверхностях окислы трехвалентного железа, об­разуя оформленные осадки.

Используя разнообразные меха­низмы окисления закисного железа₁ железобактерии выделяют гидро­окись железа, которая откладывает­ся на поверхности клеток. При этом образуется типичный биополимер­ный слизистый чехол, который пре­пятствует сообщению клеток с внеш­ней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покида­ют его. Покинув старый чехол, они приступают к выработке нового. Да­же при незначительном количестве (менее 0,3 мг/л) железа в воде (преж­де всего, двухвалентного) клетки микроорганизмов активно аккумули­руют его, так как испытывают в нем физиологическую потребность. Та­ким образом, на поверхности трубо­провода появляются участки, покры­тые обильными охристыми отложе­ниями, образованными биогенным путем.

В результате прогрессирующей колонизации поверхности на ней формируются сообщества со слож­ной гетерогенной многоярусной структурой, с большим числом по­тенциальных экологических ниш. Например, анаэробные условия под массой клеток железобактерий часто обусловливают развитие термофиль­ных сульфатредуциругощих бакте­рий, выдерживающих температуру до 90С и выше. Их главной жизнео­беспечивающей функцией служит стимулирование реакций восстанов­ления сульфатной серы до сероводо­родной. Б результате скорость кор­розии возрастает в десятки раз.

Микробиологическая коррозия может осуществляться как за счет коррозионной реакции, являющейся отдельной частью метаболического

цикла бактерий, так и за счет непос­редственного воздействия на метал­лы продуктов метаболизма микроор­ганизмов (органичес­ких и неорганических кислот).

Механизм биологической корро­зии металлов исследован мало и окончательно не установлен. Слож­ность борьбы с биокоррозией метал­лов заключается в том, что очень трудно различить электрохимичес­кую коррозию и микробиологическую коррозию.

В общем случае коррозия стали в воде систем теплоснабжения имеет язвенный характер. Такой тип пов­реждения металла выглядит как уг­лубление под наростом продуктов коррозии. Отложения продуктов кор­розии представляют собой матрикс, пронизанный порами и каналами.

Развитие язвы обусловлено электрохимической реакцией, при которой на поверхности металла протекают два сопряженных процес­са - анодный и катодный. Система анод - нарост - катод работает как мембранный электролизер, одна из возможных схем которого изображе­на на рис. 3.

Под действием возникшей раз­ности потенциалов внутрь язвы пере­носятся отрицательные ионы. Порис­тый нарост из продуктов коррозии выполняет роль мембраны, ограни­чивающей свободную миграцию ани­онов, и способствующей концентри­рованию сульфатов и хлоридов в по­лости язвы. По данным ряда работ [1, 2] значение рН внутри язвы может составлять 1,0 4,0, несмотря на ще­лочную реакцию сетевой воды, а кон­центрация хлоридов достигать  100 г/кг и более. Развитие язв в этих ус­ловиях носит необратимый характер и они рано или поздно переходят в свищи.

Для предотвращения локальной коррозии металла при суммарном содержании в исходной воде хлори­дов и сульфатов до 15 мг/л значение рН рекомендуется поддерживать не ниже 10,5, а при большем их содер­жании - не ниже 11,0. Напомним, что для открытых систем теплоснабже­ния, систем ГВС и закрытых систем, в которых водогрейные котлы работа­ют параллельно с бойлерами, имею­щими латунные трубки, верхнее зна­чение величины рН устанавливается не более 9,5.

Для подавления жизнедеятель­ности бактерий также рекомендуется повышение значения рН сетевой во­ды. Однако, как следует из таблицы 1, регулирование уровня рН не может служить универсальным средством для борьбы с микроорганизмами.

Исследованиями с микроорганиз­мами, живущими в биопленке, уста­новлено, что сульфатредуцируюицие бактерии способны снижать рН воды, для подавления популяции серных бактерий необходимо поддерживать рН воды в пределах 9,7-9,9.

Сегодня существует множество методов обработки воды, но, к сожа­лению, ни один из них не гарантирует полное освобождение воды от мик-роорганизмов.

Применяемые методы бактери­цидной обработки воды хлором или гипохлоритом являются наиболее простыми технологическими реше­ниями, но не сопровождаются эф­фектом последействия. Т.е. на кине­тических кривых отмирания бактерий существуют так называемые «хвосто­вые эффекты», из-за реактивации части поврежденных микроорганиз­мов.

Размер и сложность колонии, ее сопротивление дезинфекционной обработке, растут в пределах био­пленки, которая является своеобраз­ным барьером для доступа обычно используемых реагентов. Биополи­меры ограничивают диффузию хлора через поверхность биопленки вглубь, обеспечивая устойчивость микроб­ной пленки к этому способу дезин­фекции [3], Поэтому бактерии в би­опленке в 20-1000 раз более устой­чивы к антимикробным препаратам, чем микроорганизмы в культурной среде [4]. Гипохлорит-ионы также снижают свою активность за счет инактивации биополимерами в пове­рхностных слоях бактериальной пленки.

Для эффективного подавления роста микроорганизмов необходимо проникновение бактерицидов в объ­ем отложений с целью уничтожения анаэробных бактерий.

Таким образом, продлить срок Службы трубопровода можно только приостановив развитие язвы, для че­го необходимо либо удалить нарост, накрывающий полость язвы, те, раз­рушить отложения, либо сделать мембрану непроницаемой, по типу диэлектрической прокладки в кон­денсаторе. Удаление продуктов кор­розии приводит не только к пассива­ции язв, но и ликвидации экологичес­ких ниш для развития бактерий.

Анализ многочисленных муници­пальных программ энерго- и ресур­сосбережения в ЖКХ показал, что в них основное внимание уделяется замене оборудования и трубопрово­дов и слишком мало повышению тех­нического и технологического уровня Эксплуатации. Зачастую не рассмат­риваются новые направления и сов­ременные технологии, альтернатив­ные капитальному ремонту и значи­тельно продлевающие срок службы систем теплоснабжения.

Ветхие трубопроводы безусловно подлежат поэтапной замене, однако при этом необходимо отчетливо представлять, что в загрязненной системе продукты коррозии и бакте­рии будут постоянно переноситься потоком воды и на «чистые» трубоп­роводы, формируя на них отложения со всеми вытекающими последстви­ями. Повсеместно отмечаются слу­чаи сквозного поражения стенок но­вых предварительно изолированных труб уже через 3-4 года их эксплуата­ции вместо нормативных 25-30 лет.

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

Специалистами Инженерно-тех­нологического центра «ОРГХИМ» на основе цинкового комплекса ОЭДФ и модифицированных природных по­ лимеров был создан ингибитор наки пеобразования и коррозии - компо­ зиция ККФ, Целью создания этого реагента являлось устранение ряда недостатков, органично присущих индивидуальным фосфонатам (ОЭДФ, НТФ, ИОМС и др.). В результате был получен реагент с уникальным набором потреби­тельских свойств.

Одним из них является способ­ность композиции ККФ постепенно разрушать имеющиеся в системах отложения. Разрушение отложений в данном случае нельзя отождествлять с растворением, ибо оно протекает не самопроизвольно, а с затратой внешней энергии (рис.4).

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

По мере проникновения молекул композиции в поры снижается про­ницаемость отложений, что приводит к разрыву электрической цепи анод-катод и прекращению коррозионного процесса, а бактерии оказываются запечатанными в полости язвы и по­гибают от отравления продуктами собственной жизнедеятельности.

Завершается процесс разруше­ния отложений формированием на поверхности металла защитной цинк-железо-фосфонатной пленки слож­ного химического состава полимоле­кулярной толщины, обеспечивающей эффективную защиту от коррозии. Обработка индикаторов коррозии, установленных в подающих и обрат­ных сетевых трубопроводах различ­ных систем теплоснабжения и ГВС, показала, что характеристика корро­зионного процесса соответствует или близка к уровню - «практически отсутствует» [5, 6, 7]. Наличие в сос­таве защитной пленки бактерицид­ных ионов цинка придает пленке бак-териостатическое свойство, бакте­рии на ее поверхности не могут ни селиться, ни размножаться.

На рис. 4б отчетливо видно (выде­лено светлым квадратом), как в про­цессе отмывки вскрываются и пасси­вируются язвенные поражения ме­талла.

Способность композиции разру­шать отложения лежит в основе тех­нологий отмывки систем теплоснаб­жения «на ходу» и ускоренной (гид-ропневмохимической) промывки.

Гидропневмохимическая промыв­ка систем теплоснабжения может выполняться на отдельно стоящем зда­нии, группе зданий в микрорайоне (г. Волжск Звенигово), а масштабах города (г. Суворов).

Применение этих технологий сов­местно с технологией нанесения на внутреннюю поверхность трубопро­водов антикоррозионного бактери-остатического покрытия является комплексным решением реновации систем теплоснабжения, при этом восстанавливается гидравлический режим системы и существенно прод­левается срок ее эксплуатации, зна­чительно возрастает эффективность систем теплопотребления.

Проекты восстановления пропу­скной способности трубопроводов являю 1Си быстро окупаемыми, а зат­раты по ним составляют 10-15% от суммы их капитального ремонта, что позволяет эффективно распределить выделяемые средства на реконструк­цию и обновление инженерных сис­тем.

Способность композиции форми­ровать на поверхности различных металлов защитную пленку и эффек­тивно разрушать все виды имеющих­ся в системе отложений использова­на при разработке технологии кон­сервации оборудования и сетей, сов­мещенной а отмывкой от отложений и бактерицидной обработкой.

На рис. 5 показано состояние внутренней поверхности парового котла ДЕ 25-14 пуско-резервной ко­тельной Татарской АЗС до и после консервации. До консервации в ба­рабанах котлов 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 т,ч, от продуктов коррозии, покрываю­щих полость язвенных углублений, а поверхность металла покрыта равно­мерной защитной пленкой.

Таким образом, можно уверенно сказать, что композиция является эффективным ингибитором стояноч­ной коррозии.

Наряду с высокой эффектив­ностью защиты от коррозии этот спо­соб консервации имеет ряд сопут­ствующих положительных свойств;

-    в процессе консервации проис­ходит удаление с защищаемых пове­рхностей всех видов отложений и, что весьма важно, пассивации язв за счет удаления продуктов коррозии, покрывающих полость язвенных уг­лублений, а по мерс формирования защитной пленки - к прекращению дальнейшего их развития;

-    удаление бугристых отложений с внутренней поверхности трубопрово­дов приводит к снижению гидравли­ческого сопротивления и, как след­ствие, к экономии затрат электро­энергии на транспорттеплоносителя;

-    отсутствует необходимость про­ведения перед консервацией хими­ческой очистки подлежащих защите поверхностей.

Интенсивная коррозия оборудо­вания и трубопроводов, высокая ава­рийность в системах ТС и ГВС и в то же время полное отсутствие данных о реальной коррозионной агрессив­ности горячей воды в системах, а за­частую и о ее качестве, требуют проведения «коррозионной» паспорти­зации систем ТС и ГВС, что позволит оценить реальную коррозию в систе­мах и ожидаемые сроки службы обо­рудования и трубопроводов, а при высокой агрессивности воды разра­ботать и внедрить наиболее техни­чески эффективные и экономически оправданные для каждой конкретной системы мероприятия по защите от коррозии.

В целях стимулирования произво­дителя тепловой энергии во внедре­нии мероприятий по защите от кор­розии предлагается рассмотреть возможность тарифной дифферен­циации оплаты тепловой энергии и горячей воды в зависимости от ее ка­чества и коррозионной агрессивнос­ти. При нормативном качестве воды и ее «низкой» или «допустимой» агрес­сивности - максимальный тариф, при несоблюдении требований по каче­ству воды и при ее «высокой» или «аварийной» агрессивности - пони­женный тариф.

Сергей Потапов,

почетный работник ЖКХ России,

почетный теплоэнергетик,

кандидат технических наук,

директор ООО "ИТЦ ОРГХИМ»,

г. Казань

Литература

1.  Структура и коррозия металлов и сплавов // Под ред. Ё.А. Ульянина. - М.: Металлургия, 1989. - 400 с.

2.   И.Л. Розенфельд Теория локальных коррозионных процессов. - V Всесоюзное совещание по электрохимии, М.; Химия, 1974,т.2, с-243.

3.    Ronner А.В., Wong А. С. L. Biofilm development and Salmonella Typhimurium on stainless steel and Buna-n rubber// Jurnal oj Food Protection. 1993. 56, р.750-758

4.    Brown M.R.W., Gilbert P. Sensitivity jf biofilms to antimicrobial agents// J.Appl.Microbiol. 1993. S47, р. 87-97

5.     С. А. Потапов, Г. М. Егоров, С, М. Лесной, А. М. Меламед //Новости теплос­набжения. 2003. № 10 (33), С 50-53.

6.      С. А, Пота нов, А. Ю, Ежов, И. А. Марты­нова //Коррозия : материалы, защита. 2006, №12,с.28-31.

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