Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния трубопроводных систем транспортировки водных сред и углеводородов 11
1.1 Системы теплоснабжения 11
1.2 Определение перспективных направлений снижения гидравлического сопротивления трубопроводных систем 30
Глава 2 Основные свойства и особенности формирования молекулярных слоев ПАВ на металлических поверхностях 55
2.1 Основные физико-химические свойства ПАВ и их слоев 55
2.2 Проведение исследований аминосодержащих соединений применительно к их использованию в энергетике 69
Глава 3 Описание экспериментального оборудования и методик экспериментальных исследований 78
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований по определению влияния молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление 78
3.2 Приборно-измерительное оборудование 100
Глава 4 Влияние изменения характеристик функциональных поверхностей на величину гидравлического сопротивления 113
4.1 Исследование влияния молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление элементов систем теплоснабжения 113
4.2 Исследование влияния молекулярных слоев ПАВ на профиль скорости при обтекании пластины 127
4.3 Влияние молекулярных слоев ПАВ на термическое сопротивление участка трубопровода 133
Глава 5 Повышение коррозионной стойкости конструкционных материалов трубопроводных систем при различной степени агрессивности транспортируемых сред 138
5.1 Влияние «качества» теплоносителя на интенсивность коррозионных процессов 138
5.2 Определение коррозионной стойкости конструкционных материалов с сформированными на их поверхности молекулярными слоями ПАВ 152
5.3 Влияние молекулярных слоев ПАВ на процессы формирования слоев отложений 162
5.4 Влияние молекулярных слоев ПАВ на интенсивность очистки металлических поверхностей от отложений 164
Глава 6 Снижение величины гидравлического сопротивления трубопроводов при течении нефти 168
6.1 Влияние молекулярных слоев ПАВ на величину гидравлического сопротивления при течении нефти 168
6.2 Определение влияния шероховатости внутритрубной поверхности на величину гидравлического сопротивления при течении нефти в условиях формирования молекулярных слоев ПАВ 177
6.3 Влияние молекулярных слоев ПАВ на скорость протекания коррозионных процессов в нефтяных средах 181
Глава 7 Разработка оборудования для повышения энергоэффективности трубопроводных систем 187
7.1 Мобильная установка для формирования молекулярных слоев ПАВ в системах теплоснабжения 188
7.2 Модульная установка для объектов с ограниченным доступом 193
7.3 Автономный мобильный комплекс для обособленных объектов 208
7.4 Стационарный комплекс для крупных систем теплоснабжения 212
Глава 8 Повышение энергоэффективности эксплуатирующихся трубопроводных систем на основе формировании молекулярных слоев ПАВ 218
8.1 Снижение гидравлического сопротивления участка трубопровода разводящих сетей 218
8.2 Повышение энергоэффективности трубопроводов разводящих сетей систем теплоснабжения 221
8.3. Восстановление и улучшение проектных характеристик теплообменных аппаратов 230
8.4 Повышение энергоэффективности эксплуатации котельного оборудования 235
8.5 Восстановление проектных значений и повышение энергоэффективности системы отопления здания 241
8.6 Модификация функциональных поверхностей крупной системы теплоснабжения с использованием молекулярных слоев ПАВ 256
Заключение 274
Список использованных источников
- Определение перспективных направлений снижения гидравлического сопротивления трубопроводных систем
- Проведение исследований аминосодержащих соединений применительно к их использованию в энергетике
- Приборно-измерительное оборудование
- Исследование влияния молекулярных слоев ПАВ на профиль скорости при обтекании пластины
Введение к работе
Актуальность работы. В рамках энергетической стратегии России до 2035 г. одним из приоритетных направлений является повышение экономичности функционального оборудования, элементов и систем теплоснабжения в целом, включая этапы генерации, транспортировки и потребления тепловой энергии.
На транспортировку жидких сред тратится количество энергии, определяемое величиной гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования. В процессе эксплуатации величина гидравлического сопротивления многократно возрастает вследствие протекания коррозионных процессов на функциональных поверхностях оборудования, увеличивающих шероховатость внутритрубных поверхностей, и процессов формирования слоев отложений различной природы происхождения, уменьшающих диаметр проходного сечения. Ситуацию ухудшает значительный срок эксплуатации отечественных трубопроводных систем, к примеру, износ трубопроводов систем теплоснабжения превышает 80%.
На сегодняшний день промышленно применяемые способы повышения эффективности трубопроводных систем характеризуются высокими энергетическими и экономическими затратами. Вместе с тем, в последние годы в мире разработаны новые подходы к решению проблем трубопроводных систем на основе изменения свойств поверхностей конструкционных материалов с использованием методов «инженерии поверхности», в том числе с использованием эффектов супер- и ультрагидрофобности.
Цель работы – разработка научных и технологических основ, технических решений, опытно-промышленного оборудования для повышения эффективности транспортировки энергоносителей по трубопроводным системам с использованием поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Задачи исследования:
анализ и обобщение данных по снижению гидравлического сопротивления при течении энергоносителей;
разработка метода снижения гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования трубопроводных систем, основанного на использовании молекулярных слоев ПАВ;
экспериментальное определение влияния молекулярных слоев ПАВ на гидравлическое сопротивление трубопроводов и оборудования трубопроводных систем;
экспериментальное определение коррозионной стойкости металлических поверхностей с молекулярными слоями ПАВ, в том числе в нефти;
разработка методологических и технических решений, направленных на повышение эффективности систем теплоснабжения;
подтверждение положительного влияния разработанных решений на эффективность эксплуатации систем теплоснабжения в натурных условиях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан комплексный подход к изучению проблемы низкой эффективности трубопроводных систем, учитывающий ряд взаимовлияющих факторов;
осуществлен анализ и обобщение результатов использования пленкообразующих аминов в энергетике, проведено сравнение свойств молекулярных слоев используемого ПАВ – октадециламина с другими видами пленкообразующих аминов;
определено влияние концентрации молекул ПАВ, рН среды, времени формирования слоев, скорости потока рабочей среды, шероховатости поверхности на характеристики молекулярных слоев ПАВ;
получены результаты коррозионных испытаний поверхностей с молекулярными слоями ПАВ, в том числе в высокоминерализованных и агрессивных средах;
разработана методика снижения величины гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования трубопроводных систем с одновременной защитой от протекания коррозионных процессов и процессов накопления отложений различной природы на основе формирования молекулярных слоев ПАВ на внутренних поверхностях;
получены результаты экспериментальных исследований по определению влияния молекулярных слоев ПАВ на величину гидравлического сопротивления элементов системы теплоснабжения, а также участка трубопровода при течении нефти.
Практическая значимость.
На основе результатов комплекса экспериментальных исследований:
разработана и внедрена технология повышения эффективности трубопроводных систем на основе снижения гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования, защиты от протекания коррозионных процессов и накопления отложений при течении энергоносителей;
разработан, изготовлен, опробован и запущен в эксплуатацию ряд автоматизированных опытно-промышленных стационарных и мобильных комплексов для реализации разработанной технологии в натурных условиях применительно к широкому спектру оборудования систем теплоснабжения, в том числе в условиях отсутствия источников энергии;
получено снижение величины гидравлического сопротивления участка трубопровода, теплообменного оборудования и трубопроводной сети системы теплоснабжения в натурных условиях;
достигнут экономический эффект от внедрения разработанных технических решений в системе теплоснабжения г. Москвы.
Достоверность и обоснованность результатов работы определяется:
использованием апробированных методик проведения исследований и современного измерительного оборудования;
проведением широкого спектра исследований, в том числе химических, гидравлических и металлографических;
многократной проверкой экспериментальных данных;
сходимостью результатов исследований с данными других авторов;
удовлетворительной воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований при многократных повторениях.
Личный вклад автора заключается:
в постановке, руководстве, непосредственном участии в проведении исследований по определению влияния концентрации ПАВ, рН среды, времени формирования слоев, скорости потока рабочей среды, шероховатости поверхности на характеристики молекулярных слоев ПАВ;
в разработке методик проведения экспериментальных исследований по формированию молекулярных слоев ПАВ на функциональных поверхностях трубопроводов и оборудования трубопроводных систем;
в постановке и руководстве экспериментальными исследованиями по определению величины коррозионной стойкости поверхностей различных конструкционных материалов, применяемых в энергетике, с молекулярными слоями ПАВ;
в разработке методологии и проведении комплексных исследований по определению влияния молекулярных слоев ПАВ на величину гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования трубопроводных систем;
в постановке, руководстве, непосредственном участии в проведении натурных исследований, разработке технологических регламентов, создании технических комплексов и устройств, обеспечивающих повышение эффективности трубопроводных систем.
Благодарности.
Автор глубоко признателен Рыженкову В.А., Волкову А.В., Куршакову А.В., сотрудникам, студентам и аспирантам Научного Центра «Износостойкость» за неоценимую помощь при проведении исследований, подготовке и обсуждении работы.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на международных и российских конференциях, в том числе на IV международной конференции ''Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках" Москва, НИУ «МЭИ», 2011 г.; 16-ой международной конференции по свойствам воды и водяного пара, Лондон, 2012 г.; международной конференции «Химия тепловых электрических станций», Гейдельберг, 2012 г.; Второй Всероссийской НПК – ЭНЕРГО-2012 «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», Москва, НИУ «МЭИ», 2012 г.; международной научно-технической конференции «Водоподготовка и водно-химические режимы ТЭС. Цели и задачи», Москва, ОАО «ВТИ», 2013 г., ВМНТК "Энергоэффективность: опыт и перспективы" Москва НИУ «МЭИ», 2013 г.;III ежегодной национальной выставке «ВУЗПРОМЭКСПО» Технополис «Москва» Москва, 2015 г., IV национальной выставке технических и технологических достижений науки ВУЗПРОМЭКСПО-2016, "Экспоцентр" Москва, 2016 г., научно-технических семинарах ООО «Газпром энергохолдинг», ПАО «МОЭК».
Публикации по работе.
Основные результаты научных исследований, методологические положения, технологические и технические решения, выполненные в соавторстве, непосредственно автором или под его руководством изложены в 45 публикациях, в том числе в 21 публикации в отечественных и зарубежных журналах, в 11 свидетельствах и патентах Российской Федерации и в 13 докладах и тезисах докладов на международных и российских конференциях.
Объем и структура работы.
Определение перспективных направлений снижения гидравлического сопротивления трубопроводных систем
Известно, что при проектировании тепловой сети делается ее гидравлический расчет, который заключается в оценке всех гидравлических сопротивлений. Современный гидравлический расчет системы теплоснабжения проводится таким образом, что на начало эксплуатации тепловой сети суммарное гидравлическое сопротивление составляет 50% от расчетного [30, 32]. Запас по гидравлическим потерям закладывается на увеличение шероховатости внутритрубных поверхностей в процессе эксплуатации систем теплоснабжения.
Расчетные величины гидравлического сопротивления достигаются практически в первый год эксплуатации системы теплоснабжения при ее работе на недеаэрированной воде и за 8-10 лет эксплуатации на деаэрированной воде [30]. Как показали комплексные исследования, за 30 лет даже с соблюдением всех норм эксплуатации гидравлическое сопротивление увеличивается в 3 и более раз [30]. На сегодняшний день затраты на транспортировку тепла в растянутых сетях превышают на 40% его себестоимость.
На долю процессов внутритрубной коррозии приходится порядка 25% от общего числа повреждения (для отдельных систем до 90%) [45]. На сегодняшний день продолжаются споры по механизму протекания процесса коррозии, при этом большинство исследователей сходятся во мнении, что причиной является наличие кислорода и углекислоты в теплоносителе [45 – 47].
Даже при надежном, в целом, водно-химическом режиме теплосети часты случаи кратковременного увеличения концентрации кислорода в сетевой воде. Причинами могут являться некачественная работа даэраторов, кратковременные остановы даэраторов, присосы водопроводной воды в абонентских подогревателях (для закрытой теплосети), завоздушивание обратных трубопроводов, отсутствие мониторинга коррозионной активности теплоносителя.
Считалось, что повышение концентрации кислорода в сетевой воде на короткое время не представляет опасности с точки зрения коррозии. Однако проведенные электрохимические исследования показали, что даже кратковременные «проскоки» кислорода в сетевую воду приводят к появлению питтингов на поверхности металла труб, развивающиеся в язвы и свищи, в даэрированной воде после ликвидации «проскока» резко увеличивается повреждаемость трубопроводов систем от внутренней коррозии. [45, 47, 48]
В пределах рН=4-10 скорость коррозии определяется только скоростью диффузии кислорода к поверхности металла. Основной диффузионный барьер – пленка оксида железа (II)- постоянно обновляется в ходе коррозионного процесса. Независимо от величины рН воды в этих границах поверхность железа всегда контактирует со щелочным раствором, насыщенным гидратированным оксидом железа (рН приблизительно 9,5).
В кислой среде (рН 4) пленка оксида железа растворяется, значение рН на поверхности железа снижается и металл находится непосредственном контакте с водной средой, при этом увеличение скорости реакции является результатом, как значительной скорости выделения водорода, так и кислородной деполяризации.
Увеличение щелочности среды (рН 10) вызывает возрастание рН на поверхности железа. Скорость коррозии при этом уменьшается, так как железо пассивируется в присутствии щелочей и растворенного кислорода.
Увеличение рН среды является одним из распространенных методов снижения скорости протекания коррозионных процессов наряду с попытками увеличить коррозионнную стойкость углеродистых сталей путем улучшения технологии изготовления [49, 50].
Отложения, накапливающиеся на функциональных поверхностях теплоэнергетического оборудования, классифицируются следующим образом: - оксидные пленки - результат химического взаимодействия металла теплообменной поверхности с растворенным в воде кислородом; - отложения кристаллического характера, образовавшиеся в результате роста кристаллов на поверхностях оборудования за счет присоединения ионов из контактирующего с поверхностью перенасыщенного раствора (к этому типу относятся отложения сульфата кальция); - отложения, образовавшиеся в результате осаждения из потока мелкодисперсных взвесей, часто имеющие шламовидную, рыхлую структуру, уплотняющуюся во времени. К этому типу отложений относятся железоокисные соединения, карбонат кальция, гидроксид магния и т.д. За исключением отложений, состоящих из продуктов коррозии, причиной которых является процесс окисления металлических поверхностей, механизм образования отложений состоит из нескольких этапов: - растворение и кристаллизация солей, перемешивание и коагуляция дисперсных частиц; - доставка материала отложений к стенке трубы; - закрепление и формирование отложений; - удаление, смыв отложений потоком воды; - процессы, происходящие в отложениях с течением времени (уплотнение, отвердение и т.д.)[51, 52, 53]
Накопление отложений на теплообменных поверхностях оборудования приводит к существенному снижению эффективности, надежности и ресурса работы теплоэнергетического оборудования. Практически все виды накапливающихся отложений имеют весьма низкий коэффициент теплопроводности, для некоторых из его значение в сотни раз меньше аналогичного показателя для сталей. По этой причине многие котлоагрегаты работают со значительным перерасходом («пережогом») топлива и соответствующим дополнительным ухудшением экологической обстановки (например, отложения толщиной в 1 мм увеличивают расход топлива на 7-10% (данные ОАО «ВТИ»).
Проведение исследований аминосодержащих соединений применительно к их использованию в энергетике
Интенсивность адсорбции ПАВ на металлических поверхностях возрастает при увеличении начальной концентрации ПАВ в среде и уменьшении температуры процесса. При прочих равных условиях материал поверхности осаждения также существенно влияет на количество сорбированного на поверхности металла ПАВ вследствие разных величин поверхностного заряда. Лучше всего процесс адсорбции протекает на латунной поверхности, несколько менее интенсивно на медной, далее на поверхности перлитной стали и аустенитной стали.
Формирование молекулярных слоев, например, на поверхности перлитной стали, приводит к снижению поверхностного заряда (изопотенциала) с 350-450 мВ до 0-100 мВ в водной среде по отношению к хлорсеребряному электроду.
Молекулы ПАВ характеризуются способностью отторгать инородные вещества, в частности, отложения различной природы происхождения с поверхности металла. Механизм протекания указанного процесса заключается в проникновении молекул в поры и другие несплошности поверхности отложений, вследствие снижения величины поверхностного натяжения водной среды. Электрическое взаимодействие молекул ПАВ с металлом приводит к формированию адсорбированного слоя, определяющего возникновение расклинивающего давления и, как следствие, уменьшению сцепления отложений с поверхностью и последующему смыву. Необходимо отметить, что высокая поверхностная активность молекул ПАВ обуславливает протекание процесса адсорбции на поверхностях отложений, препятствуя их коагуляции и повторному осаждению на поверхность металла.
При оценке моющего эффекта ПАВ было отмечено избирательное удаление им хлорид-ионов с поверхности металла, которое связано с образованием электронейтрального комплекса R-NH2+H++Cl- R-NH3CI . Константа равновесия этой реакции возрастает с ростом температуры, то есть рост температуры способствует интенсификации удаления хлорид-ионов с металлических поверхностей.
Основным параметром, влияющим на прочность адсорбционных связей молекул ПАВ с поверхностью металла, является температура водной среды, при которой формируется молекулярный слой. При температуре среды t = 80оС сформированные на поверхности углеродистой стали слои ПАВ могут быть частично удалены с использованием специальных растворителей (в частности, изопропанолом). Слои, образованные при температуре порядка 150оС, не смываются даже с использованием многостадийной обработки в изопропаноле: после шести этапов обработки на поверхности металла остается до 90% ПАВ. При этом необходимо отметить, что существует зависимость степени гидрофобности поверхности (характерным углом смачивания) от характеристик молекулярных слоев. Как уже было сказано выше, молекулы рассматриваемых ПАВ плохо растворимы в водных средах, в зависимости от концентрации и температуры выделяют три состояния: - истинный раствор, характеризуется крайне малыми концентрациями; - мицеллин, характеризуется помутнением вследствие образования шаровидных структур (мицелла); - двухкомпонентная среда, характеризуется значительными величинами концентрации.
Известно, что для уменьшения количества дефектов и увеличения сплошности формирование молекулярного слоя должно проходить из минимальных по размеру «кирпичиков». В случае пленкообразующих аминов таким «кирпичиком» является единичная молекула, равноудаленная от других молекул ПАВ. Следовательно, для улучшения характеристик слоев необходимо равномерно распределить молекулы ПАВ по объему жидкости. С учетом плохой растворимости пленкообразующих ПАВ в водных средах наиболее перспективными путями является создание эмульсий или суспензий с максимальной степенью дисперсности.
На результат эмульгирования влияет не только природа примененного эмульгатора и вид механического воздействия, но и ряд других условий – температура, количественное соотношение фаз и т.д. При всех прочих равных условиях более низкоконцентрированная эмульсия получается более устойчивой, так как вероятность столкновения двух ее частиц меньше. Соответственно, снижение температуры также повышает устойчивость эмульсии.
Для определения истинной сорбции ПАВ, а также коррозионно-защитных свойств образовавшихся пленок были проведены сравнительные испытания нескольких вариантов эмульсий, приготовленных различными способами: - механическим перемешиванием; - с помощью пароводяного инжектора; - готовая эмульсия с эмульгатором. Сравнение качества образования пленок и их защитных свойств проводилось по следующим параметрам: - адсорбционная активность эмульсии; - коррозионная устойчивость обработанных водной эмульсией образцов из конструкционной стали. Проведенные сравнительные испытания показали (таблица 2.1), что наиболее надежная защита от коррозии обеспечивается при обработке образцов при прочих равных условиях эмульсией, приготовленной с помощью пароводяного инжектора. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что эмульсия, полученная с помощью пароводяного инжектора, является наиболее эффективной.
Приборно-измерительное оборудование
В рамках экспериментальных исследований был выбран диапазон скоростей, характерный для тепловых сетей, составивший от 0,5 до 2,5 м/с, экспериментальные исследования проводились при скоростях теплоносителя 0,5; 1; 1,5; 2 и 2,5 м/с.
В процессе кондиционирования рабочего тела постоянно, через определенные промежутки времени, проводился отбор проб для измерения концентрации молекул ПАВ. В процессе указанных измерений определялась текущая концентрация ПАВ в рабочем теле.
Плавное снижение концентрации молекул ПАВ происходит до стабилизации на уровне, так называемой, установившейся концентрации (Суст, мг/л), которая косвенно характеризует толщину молекулярных слоев ПАВ на внутритрубной поверхности. Установившаяся концентрация фактически отражает состояние равновесия между молекулами ПАВ, находящимися в потоке рабочего тела и находящимися на внутритрубной поверхности, при этом равны скорости процессов сорбции и десорбции.
В дальнейшем при обработке экспериментальных данных для повышения точности было принято решение при определении толщины молекулярных слоев ПАВ использовать металлографические шлифы, изготовленные из вырезок рабочего участка трубопровода экспериментального стенда.
Необходимо отметить, что вышесказанное соответствует экспериментальным исследованиям, проводившимся применительно к водным рабочим средам. Для нефтяных сред измерение концентрации молекул ПАВ невозможно вследствие большого сродства составляющих нефти и молекул ПАВ. Кроме того, существующие методики создания металлографических шлифов не позволяют точно определить толщину сформированных на металлических поверхностях молекулярных слоев, поэтому концентрация молекул ПАВ в нефти определялась расчетным путем, а толщина молекулярных слоев оценивалась по косвенным данным.
Одним из важнейших элементов экспериментального стенда является дозировочный узел, предназначенный для создания высокодисперсной эмульсии ПАВ, поскольку используемые ПАВ не образуют растворов с теплоносителем, и единственным способом равномерного распределения молекул ПАВ по объему теплоносителя является их эмульгирование.
Дозировочный узел состоит из технологической емкости, циркуляционного насоса, емкости ввода расплава ПАВ, эжектора, соединительных трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры и работает следующим образом. В емкости ввода расплава ПАВ загружается определенное количество вещества, рассчитанное в зависимости от общего объема теплоносителя и необходимой концентрации, после этого ПАВ, находящиеся при комнатной температуре в твердом состоянии, нагревают до получения расплава за счет теплоносителя, циркулирующего в «рубашке» емкости ввода расплава ПАВ, после чего осуществляется эжектирование расплава ПАВ в теплоноситель.
Фотография узла дозирования показана на рисунке 3.14. Дозировочный узел связан с основным контуром через насос-дозатор, позволяющий плавно производить дозирование эмульсии ПАВ заданной концентрации в контур экспериментального стенда.
Дозировочный узел предназначен для обеспечения циркуляции, нагрева и поддержания заданной температуры приготовленной эмульсии во время всего технологического процесса и для интенсификации перемешивания эмульсии ПАВ, что повышает ее дисперсность.
Температурный уровень поддерживается на заданном уровне в диапазоне от 0 до 100 оС с использованием установленных в основной емкости ТЭНов, управляемых через измерительно-регулирующий комплекс типа ОВЕН с основного щита управления и индикации экспериментального стенда. Щит электропитания узла совмещен с центральным щитом управления экспериментального стенда и включает в себя: общий трехфазный автоматический включатель с вынесенным датчиком температуры и автоматический включатель насоса.
Узел для приготовления эмульсии состоит из эжектора (эмульгатора), предназначенного для перемешивания расплава ПАВ и рабочей жидкости, а также емкости, служащей для приготовления расплава и дозирования ПАВ в эжектор.
Плавление твердого реагента в емкости происходит за счет подвода к нему теплоты рабочей среды (водяная «рубашка»). Дозирование расплава ПАВ осуществляется с помощью винта дозирования, установленного в емкости.
В состав узла дозирования входит очистное устройство, представляющее собой угольный фильтр, предназначенный для нейтрализации остатков концентрации ПАВ в рабочей среде при сливе. Рисунок 3.14 – Дозировочный узел экспериментального стенда, моделирующего трубопроводы и оборудование систем теплоснабжения 3.2 Приборно-измерительное оборудование
Исследование влияния молекулярных слоев ПАВ на профиль скорости при обтекании пластины
В рамках диссертационной работы был проведен анализ проблемы, связанной с повышенной скоростью коррозионных процессов в отечественных системах теплоснабжения, и разработаны методики проведения экспериментальных исследований, направленных на изучение влияния агрессивных примесей на коррозию конструкционных материалов и определение наиболее перспективных путей решения этой проблемы. В частности, изучено влияние концентраций агрессивных примесей, характерных для теплоносителя отечественных систем теплоснабжения (хлориды, сульфаты), на скорость общей и питтинговой коррозии конструкционных материалов оборудования и трубопроводов систем теплоснабжения в присутствии молекулярных слоев ПАВ.
В качестве образцов для исследования процессов коррозии использовались: - образцы труб, изготовленные из углеродистой стали (трубопроводы систем теплоснабжения), латуни (теплообменные поверхности кожухотрубных водо-водяных подогревателей), меди (разводящие трубопроводы систем отопления и горячего водоснабжения); - образцы, изготовленные в виде пластин из углеродистой стали (элементы запорно-регулирующей арматуры), нержавеющей стали (теплообменные поверхности пластинчатых теплообменников, элементы запорно-регулирующей арматуры), латуни (элементы запорно-регулирующей арматуры). Использование в процессе испытаний образцов различной конфигурации (полутрубы и пластины) обусловлено задачами исследований, направленных на разработку перспективных способов повышения эффективности трубопроводных систем.
Для исследования коррозионной стойкости конструкционных материалов в качестве агрессивной среды использовались растворы хлоридов и сульфатов различной концентрации. Выбор вышеуказанных агрессивных примесей объясняется их высокой коррозионной активностью и практически повсеместным распространением в природных водах. Присутствие в теплоносителе хлоридов и сульфатов является одной из основных причин коррозии оборудования и трубопроводов, особенно в последние годы, что связано с ростом концентрации этих ионов в теплоносителе за счет техногенного загрязнения окружающей среды. Например, в теплосетях г. Санкт-Петербурга концентрация хлоридов составляет 70 мг/л [26], что не характерно для природных вод северных районов нашей страны. В системах теплоснабжения г. Москвы максимальная концентрация хлоридов достигает 380 мг/л, сульфатов – 420 мг/л. [27]. Что же касается регионов, расположенных в зоне распространения подземных вод, имеющих высокое содержание Cl- и SO42-, например, воды морских отложений пермской системы (река Кама), то суммарное содержание хлоридов и сульфатов может составлять 1000 мг/л и более [29].
Модельные среды для исследований приготавливались в дистиллированной обессоленной воде с концентрациями хлоридов от 0 до 1000 мг/л и отдельно сульфатов с теми же концентрациями.
Экспериментальные исследования проводились в 2 этапа. На первом этапе была определена скорость коррозии для различных конструкционных материалов в растворах с присутствием ионов Cl- и SO42- при температуре 25оС.
На рисунках 5.1 и 5.2 представлены диаграммы зависимостей значений скорости коррозии образцов из углеродистой стали от концентраций хлоридов и сульфатов, соответственно.
На рисунках 5.3 и 5.4 представлены диаграммы, демонстрирующие зависимости значений скорости коррозии от концентраций хлоридов и сульфатов для образцов из латуни, на рисунках 5.5 и 5.6 – из меди.
Оценка скорости коррозии проводилась в соответствии с РД 153-34.1-17.465-00 «Методические указания по оценке интенсивности процессов внутренней коррозии в теплосетях».
На основании результатов исследований можно сделать вывод, что с увеличением концентраций хлоридов и сульфатов агрессивность воды по отношению к углеродистой стали монотонно растет.
На скорость коррозии меди и латуни в большей степени влияет наличие в воде ионов хлора, с ростом концентрации сульфатов скорость коррозии этих материалов также возрастает. На втором этапе были проведены экспериментальные исследования по определению скорости коррозии при температуре рабочей среды 90оС и при концентрации агрессивных примесей, вызывающих наибольшую коррозию при температуре рабочей среды 25оС. На рисунках 5.7, 5.8 и 5.9 представлены диаграммы скорости коррозии для различных материалов в указанных средах при температуре 90оС.
Как видно из представленных зависимостей, скорости как общей, так и питтинговой коррозии всех исследуемых материалов значительно возросли.
Уровень скорости общей коррозии углеродистой стали в присутствии, как хлоридов, так и сульфатов достиг по оценочной шкале аварийного уровня. Скорость питтинговой коррозии также выросла и попала в зону высокой агрессивности воды, при этом в большей степени на рост скорости питтинговой коррозии оказало присутствие в воде хлоридов, в то время как на увеличение скорости общей коррозии большее влияние оказало наличие сульфатов.
Увеличение температуры среды с 25С до 90С вызвало значительный рост скорости как общей, так и питтинговой коррозии меди даже без наличия в рабочей среде хлоридов или сульфатов (коррозия в данном случае инициируется присутствием растворенного кислорода). Присутствие в растворе сульфатов с концентрацией 1000 мг/л привело к незначительному увеличению (примерно на 3%) скорости общей коррозии меди, но в то же время вызвало увеличение скорости питтинговой коррозии на 20%.
Присутствие хлоридов в большей степени повлияло на скорость общей коррозии меди, причем ее значение попало в зону аварийной агрессивности воды по отношению к металлу.
Более стойким материалом к воздействию коррозионно-опасных веществ при высокой температуре оказалась латунь. Как видно из диаграммы высокий уровень скорости общей коррозии достигается только в присутствии хлоридов, в то время как наличие растворенного кислорода и сульфатов вызывает как общую, так и питтинговую коррозию с низкими значениями скорости.