Анализ влияния внутренней коррозии на эксплуатацию трубопроводов

УДК 628.179.34

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ТРУБОПРОВОДОВ

© 2015

С. А. Анциферов, магистрант Е. А. Усманова, старший преподаватель кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция,

водоснабжение и водоотведение» Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Существующие в настоящее время стальные трубопроводы характеризуются высокой повреждаемостью и недостаточной экономичностью эксплуатации. Используемая вода в системах тепло- и водоснабжения, как правило, имеет агрессивные свойства, что обусловлено её обработкой на водозаборных очистных сооружениях. Агрессивность может быть обусловлена содержанием в воде растворённых газов и солей. Накопленные за последние годы статистические данные подтверждают наличие реальных возможностей улучшить работу трубопроводных систем. Для этого необходимо совместно с внедрением новых гидроизоляционных покрытий трубопроводов сосредоточить усилия на максимально возможном снижении внутренней кислородной коррозии. Наблюдения за влиянием кислорода в сетях показали, что ржавчина не только не препятствует проникновению кислорода к поверхности металла, но, напротив, может создавать новые механизмы транспорта кислорода к поверхности и отвода от нее продуктов коррозии. Если нарушить действие аномально высоких механизмов подвода кислорода, можно резко снизить общую и локальную кислородную коррозию стали. В процессе работы был изучен и проанализирован статистический материал за последние пять лет работы энергоснабжающей организации, в котором имеются сведения о протяжённости трубопроводов, диаметрах, способах прокладки и изоляции, а также данные о наличии и частоте повреждений, аварийных ситуациях, повлёкших изменение режима работы сетей. Проведённый анализ предназначен для учета влияния коррозии при определении срока службы трубопроводов и принятии решений о целесообразности их реконструкции, выбора наиболее оптимального, с экономической точки зрения, решения по замене оборудования.

Ключевые слова: аварийность, водоснабжение, внутренняя коррозия, гидравлическое сопротивление, защита от коррозии, известковые отложения, кислородная коррозия, режим работы, трубопровод, шероховатость.

Современные системы тепло- и водоснабжения являются одними из самых сложных элементов жизнеобеспечения города. Всё увеличивающееся население мегаполисов, возрастающие требования к качеству воды [8], бесперебойности работы инженерных коммуникаций заставляют обратить пристальное внимание на проблему внутренней коррозии трубопроводов.

Вода, направляемая в водопроводные сети, зачастую имеет агрессивные свойства, это обусловлено её обработкой на водозаборных очистных сооружениях (хлорированием или процессами коагуляции и фло-куляции), режимами работы системы водоснабжения [10, 18, 20]. Агрессивность может быть обусловлена содержанием в воде кислорода, хлора, карбонатов и бикарбонатов, в особенности, если вода забирается из подземных источников [7, 19]. Агрессивность уменьшается при возрастании уровня рН и жесткости и возрастает при повышении температуры и содержании в воде растворенного воздуха и углекислого газа.

Выделяются 3 зоны в зависимости от рН (рисунок 1):

1) рН < 4,3. Скорость коррозии чрезвычайно быстро возрастает с понижением рН. (Сильнокислая среда);

2) 4,3 < рН < 9-10. Скорость коррозии мало зависит от рН;

3) 9-10 < рН < 13. Скорость коррозии убывает с ростом рН, коррозия почти прекращается при рН = 13. (Сильнощелочная среда).

В первой зоне на катоде протекает реакция разряда ионов Н+ и образование молекулярного водорода (реакции 2, 3); во второй и третьей зоне - идет реакция образования ионов гидроксила ОН- (реакция 4).

Повышение температуры ускоряет анодные и катодные процессы, так как увеличивает скорость движения ионов, а следовательно, и скорость коррозии.

На аноде:

Бе - 2 е ^ Бе 2+

\

\ 40 С

20 С \

\ ч

\ \

перепадами температур греющей среды), солнечными коллекторами, используемыми для нужд горячего водоснабжения [4, 15, 16]. Увеличение гидравлического сопротивления в трубопроводах негативно влияет и на работу повысительных и циркуляционных насосов.

2 4 \ 6 8 10 12 14 рН Начато вьвгвш Н2

Рисунок 1-Зависимость интенсивности коррозии от рН и температуры воды

На анодных участках атомы железа переходят в раствор в виде гидратированных катионов Fe 2+, то есть происходит анодное растворение металла, процесс коррозии распространяется вглубь стенки трубы. Оставшиеся свободные электроны перемещаются к катодным участкам.

На катоде:

2 Н+ + 2 е ^ 2 Надс.

При рН < 4,3 происходит разряд всегда присутствующих в воде ионов водорода и образование атомов водорода с последующим образованием молекулярного водорода:

Н + Н ^ Н2.

При рН > 4,3 доминирует взаимодействие электронов с кислородом, растворенным в воде:

О2 + 2 Н2О + 4 е ^ 4 ОН"

Некоторые негативные факторы возможно устранить химической обработкой воды, основная цель которой преобразовать потенциально агрессивную воду в слабо кальцинирующую. Умеренная жесткость способствует образованию на внутренней поверхности трубы отложений солей кальция, которые защищают металл. Добавлением в воду соответствующих ингибирующих веществ можно затормозить процесс коррозии, снижая ее до менее опасных проявлений (равномерная коррозия вместо глубокой локальной), а также способствовать - при помощи химической реакции - образованию известковых отложений, которые, плотно прилипая к металлу, образуют покрытие, защищающее его от коррозийного воздействия (рисунок 2). Однако значительная толщина пленки кальциевых отложений (более 0,2 мм) приводит к увеличению шероховатости поверхности и уменьшению тепловодности стенки трубы, что крайне неблагоприятно для процесса передачи тепла в тепло-обменных аппаратах. Особенно это касается устройств с нестационарным теплообменом (со значительными

Рисунок 2 - Образование известковых отложений

На трубопроводах, обеспечивающих распределение воды по отдельным точкам водоразбора, эффективным способом защиты от коррозии считается обработка воды добавками полифосфата [13]. Основная задача этих добавок - корректирование чрезмерной жесткости воды, которая может привести к образованию излишне массивных очагов известковых отложений. В стальных оцинкованных трубопроводах при добавлении в воду полифосфатов, фосфатов или силикатов на внутренней поверхности трубопровода образуется пленка полифосфата, фосфата, силиката цинка или железа, защищающая металл от коррозии. Применять такие реагенты в водопроводных сетях питьевого назначения разрешено при условии соблюдения требований, установленных действующими санитарно" эпидемиологическими регламентами, в частности ФЗ № 52 «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» и [9].

Накопленные за последние годы статистические данные эксплуатирующей организацией и другие источники [3] подтверждают наличие реальных возможностей улучшить работу систем тепло- и водоснабжения. Для этого необходимо совместно с внедрением новых гидроизоляционных покрытий трубопроводов сосредоточить усилия на максимально возможном снижении внутренней кислородной коррозии (рисунок 3).

Как было отмечено выше, железо труб подвергается интенсивной коррозии в кислой среде при рН < 4,3 и практически не корродирует при рН > 4,3, если в воде отсутствует растворенный кислород (рисунок 3, кривая 4). Если в воде есть растворенный кислород, то коррозия железа будет идти и в кислой, и в щелочной среде (рисунок 3, кривые 1-3).

\

ч N. \

\ V \

\ 1 V

Л \

2 \ V

1 \ \

V Лч \

ч. 3 \ N

4 \

2 4 6 8 10 /2 14 рН Начато вьдвтвн/я Н /

Рисунок 3 - Зависимость интенсивности коррозии от содержания кислорода в воде

Существующие системы тепло- и водоснабжения характеризуются высокой повреждаемостью, большими утечками, недостаточной экономичностью эксплуатации. Снижение надёжности трубопроводов, их разгерметизация значительно увеличивают непроизводительные затраты по эксплуатации, увеличивают расходы на ликвидацию последствий аварийных ситуаций и подтопления территорий. Величина непроизводительных затрат и ущерба в городском хозяйстве составляет до 200 тыс. руб. на 1 км в год. Одной из причин снижения надежности является внутренняя коррозия трубопроводов.

Исходной причиной коррозии стальных трубопроводов ГОСТ 10704-91 при умеренных параметрах является растворенный в воде кислород. Чистая поверхность железа очень быстро вступает в реакцию с растворенным кислородом, и скорость всего процесса определяется возможностями его доставки. Если образуются слои, которые эффективно препятствуют проникновению через них кислорода, стальные конструкции могут длительное время сохранять полезные свойства. В противном случае сталь будет быстро разрушаться [14].

Трубопроводы тепловых сетей представляет собой протяженный замкнутый стальной контур с циркулирующей водой и локализованным источником поступления кислорода. Этим источником служит обычно исходная вода. Кислород в ней присутствует в основном из-за неполного удаления растворённых газов. Распространяясь от источника вместе с водой, кислород постепенно расходуется в коррозионных реакциях со стальными стенками трубопроводов. В результате его концентрация по мере удаления от источника снижается, а более удаленные участки сети (обратные трубопроводы), работающие в диапазоне более низких температур, защищаются от коррозии образованием защитных пленок.

Е 0,009

0,008

0,007

0,006

1 0,005

0,004

У 0,003

1 0,002

0,001

0

15 0 200 250

диаметр трубопровода 4 ¡мм

300

Рисунок 4 - Зависимость удельной поверхностной повреждаемости от диаметра трубопровода

По данным эксплуатирующей организации, 38-45 % аварийных ситуаций на трубопроводах связаны с проявлениями совместного действия внутренней и наружной коррозии на поверхности металла труб [5]. Наружная коррозия проявляется более активно, чем внутренняя, и по этой причине происходит неверное определение приоритета источника аварийной протечки. Повреждения, вызванные внутренней коррозией, обычно имеют вид небольших сквозных отверстий, когда дно коррозионной лунки достигает внешней поверхности трубы или щели в сварочном шве (рисунок 4). Протечки через такие повреждения невелики, и их трудно обнаружить. Обычно они своевременно не устраняются. Сетевая вода, выходя под давлением из сквозного отверстия, увлажняет и разрушает гидро- и теплоизоляцию. В результате на наружной поверхности трубы создаются благоприятные условия для интенсивного развития наружной коррозии. Когда толщина стенки трубы уменьшается до критической величины, она разрушается, образуя интенсивную протечку воды. Эти предположения требуют корректировки результатов осмотра дефектных участков трубопроводов. В результате корректировки можно утверждать, что именно внутренняя коррозия является причиной возникновения 40-50 % отказов на трубопроводах, хотя причиной была указана наружная коррозия. В диапазоне диаметров 50-200 мм сетевые трубопроводы имеют исходную толщину стенки 3,5-4,5 мм. Небольшие различия в толщине стенки не существенны для наружной коррозии [15]. Поэтому с ее помощью невозможно объяснить наблюдаемые зависимости снижения повреждаемости в 5-6 раз при увеличении диаметра от 50 до 200 мм. Внутренняя коррозия существенно зависит от гидродинамики потока, что определяется влиянием диаметра. Скорость коррозии на некоторых участках достигает величины выше 1 мм/год, что приводит к выходу из строя отдельных участков трубопроводов в течение ближайших лет (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты оценки и прогноза удельных показателей надежности водопровода

Год Частота отказов факт-прогноз, аварий/год Аварийность % Надежность % Вероятность отказа Наработка на отказ, год

2010 2,4-6,80 60 0,96 0,04 5,9

2011 5,3-9,7 44 0,91 0,09 5,1

2012 5,1-11,8 39 0,90 0,10 4,8

2013 5,4-12,2 25 0,87 0,13 4,6

2014 5,8-12,6 22 0,85 0,15 4,1

Анализ статистического материала и литературных источников [11, 12] показывает, что на долю наружной коррозии приходится более 60 % общего числа повреждений трубопроводов. Однако доля внутренней коррозии в общей коррозии трубопроводов составляет не менее 25 % при наибольшей для одного объекта 95 %. Средняя удельная повреждаемость от внутренней коррозии не менее 0,125 км/год при максимальной для одного объекта 0,94 км/год. В результате средний срок службы канальных прокладок составляет 12 лет, а бесканальных - 6 лет. При этом нормативная полная замена предполагается через 25 лет эксплуатации. Поэтому ремонты трубопроводов проводятся, большей частью, в аварийных условиях. Вероятно, что доля внутренней коррозии в общей коррозии трубопроводов будет возрастать в связи с расширением применения более герметичных конструкций трубопроводов [6].

Методы борьбы с внутренней кислородной коррозией теплопроводов:

1) устранение попадания кислорода в сетевую воду. Это требует больших капитальных затрат, изменения технологических схем и оборудования, перехода на закрытую схему теплоснабжения, на переоборудование центральных тепловых пунктов и домовой системы водоснабжения;

2) ужесточение требований к содержанию кислорода, усилению контроля за его содержанием, проведение антикоррозионных мероприятий, включающих надежную консервацию систем в межотопительный период и коррозионное ингибирование сетевой воды в отопительный период.

Длительное применение силиката натрия Ка20(8Ю2)п (пищевой эмульгатор Е550) в качестве рекомендуемого нормативного ингибитора кислородной коррозии не выявило его заметной эффективно-

сти, но вместе с тем показало, что на верхнем разрешенном уровне 30-40 мг/л наблюдается заметное ухудшение органолептических свойств горячей воды. В растворах силикат натрия распадается на катионы натрия и анионы кремниевой кислоты. В настоящее время силикат натрия в качестве ингибитора практически не применяется.

Наблюдения за поведением кислорода в сетях показали, что ржавчина не только не препятствует проникновению кислорода к поверхности металла, но, напротив, может создавать новые механизмы транспорта кислорода к поверхности и отвода от нее продуктов коррозии. Если нарушить действие механизмов подвода кислорода, можно резко снизить общую и локальную кислородную коррозию стали. В настоящее время изучается возможность защитить с помощью инертного коллоидно-углеродного ингибитора стальные трубопроводы. Экспериментально было установлено, что при концентрации ингибитора в сетевой воде 20-50 мкг/кг коррозионный ресурс увеличивается в несколько раз. При нормируемых и умеренно высоких содержаниях кислорода в сетевой воде (до 100-200 мкг/кг) исключается необходимость проведения дополнительных чисток в течение длительного, ориентировочно 10 лет, периода. При любых возможных концентрациях кислорода гидравлическое сопротивление трубопроводов стабилизируется на уровнях, позволяющих эксплуатировать их в течение достаточно длительного времени.

Вывод. Результаты данного анализа и дальнейшая проработка статистического материала могут быть использованы для учета влияния коррозии при определении срока службы трубопроводов и принятии решений о целесообразности реконструкции трубопроводов либо при отсутствии таковой, введение корректировки в работу повысительных насосов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балабан-Ирменин Ю. В., Липовских В. М. Ру-башов А. М. Защита от внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей // М. : Энергоатом-издат. 1999.

2. Пакшин А. В., Родичев Л. В. Протяженность и ресурсосбережение при применении теплопроводов в ППУ-изоляции. Информац. бюл. «Теплоэнергоэффек-тивные технологии». Доп. вып. СПб. 1996. С. 12.

3. Анциферов С. А., Филенков В. М. Влияние нефтепродуктов на коррозионную активность грунта // Вестник НГИЭИ. № 12 (43). 2014. С. 9-13.

4. Алмаев А. Ю., Лушкин И. А. Использование солнечной энергии для теплоснабжения систем горячего водоснабжения в индивидуальном жилищном строительстве // Вестник НГИЭИ. № 12 (43). 2014. С.5-9.

5. Чапаев Д. Б., Толстоухов В. И., Басин А. С. Состояние и проблемы систем теплоснабжения Новокузнецка // Труды НГАСУ : Т. 2. Новосибирск : НГАСУ, 2001. С. 73-80.

6. Чапаев Д. Б. Учет коррозии при прогнозировании срока службы тепловых сетей // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : Труды региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых; СибТИУ. Новокузнецк, 2001. С.390-392.

7. Филенков В. М., Брянцев С. О. Влияние электрохимических факторов на продолжительность работы скважины // Сборник трудов III Всероссийской научно-практической конференции «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья». Тольятти, ТГУ, 2012. С. 225-230.

8. СП 41-101-95 Свод правил по проектированию тепловых пунктов. Издание официальное. М., 1995.С. 114.

9. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Издание официальное. М., 2001.

10. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М. : Госстрой, 1985. 131 с. (Актуализированная версия).

11. Кармазинов Ф. В., Махнев П. П., Юдин М. Ю., Феофанов Ю. А. Методика определения неучтенных расходов и потерь воды в системах коммунального

водоснабжения // Утверждена приказом Минпром-энерго РФ от 20.12.2004. № 172.

12. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения // Л. : Стройиздат, 1986. 440 с.

13. Ивакина А. А., Чапаев Д. Б. Пример расчёта скорости внутренней равномерной коррозии городских теплопроводов, протекающей с кислородной деполяризацией // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Под общей редакцией профессора М. В. Темлянцева. Новокузнецк. 2014. С.161-164.

14. Чапаев Д. Б., Оленников А. А. Расчёт скорости внутренней коррозии трубопроводов водяных теп-л овых сетей из углеродистых сталей // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. № 4. С. 33-36.

15. Толстой М. Ю., Вилор Н. В., Ярина Н. А., Баймачев Е. Э. Развитие теплоснабжения с применением теплонасосных установок-станций // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 7-8 (644). С. 123-128.

16. Рохлецова Т. Л., Кияница Л. А., Рогов Д. В. Возможности применения распределительных гребёнок теплоснабжения из труб прямоугольного сечения в ЦТ П и ИТП // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 3. С. 61-65.

17. Савельев Е. Г., Аксентьева М. С. Инженерные системы для зданий различного назначения // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2010. № 1 (97). С. 73-77.

18. Лушкин И. А., Стрелков Д. А., Немнонова М. А. Проблемы забора и очистки воды для водоснабжения из источников с обильной водной растительностью // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2012. № 1 (5). С. 50-54.

19. Гуняшова Н. В., Филенков В. М. // Сборник: Социально-экономические аспекты развития современного государства : материалы IV научно-практической конференции. Саратов, 2014. С. 76-78.

20. Анциферов А. В., Филенков В. М. Анализ качественного состава сточных вод и состояния сооружений, коммуникаций, оборудования ООО «ТОЛЬЯТТИКАУЧУК» // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2013. № 4 (13). С. 8-10.

ANALYSIS OF THE IMPACT OF INTERNAL CORROSION IN THE OPERATION OF PIPELINES

© 2015

S. A. Antsiferov, master

E. A. Usmanova, assistant professor of the chair «Heat, gaz supply, ventilation, water supply and sanitation»

Togliatti State University, Togliatti

Annotation. Welds made with low quality pipes and significant deviations from the specified dimensions and geometrical form, when connected, form ledges which increase the hydraulic resistance of pipelines. Internal corrosion contributes to the decrease in throughput of pipelines and makes it necessary to boost up the pressure created by the pump station. Caused by the changes in hydraulic resistance, the pressure boost depends on the fluid flow rate and affects on the value of the dynamic component of the pump unit thrust, as well as changes the slope of the pipeline. The article describes the scheme and the results of the test stand to determine the hydraulic resistance of the pipeline when using rough pipes. The theoretical basis of hydraulic calculations for rough pipes are presented. On the test bench, we performed a series of measurements to build an experimental network using steel pipes with a length of 5 m, nominal diameter of 25 mm, which had been in operation in the cold water pipeline in a residential home for 30 years. The graphs plotted on the results of experiments and their match in most of the range of measurements with theoretical, allow to draw a conclusion about the possibility of using this stand to determine the actual pressure loss in the selected sample tubes.

Keywords: accident rate, water supply, internal corrosion, hydraulic resistance, corrosion protection, calcareous sediments, oxygen corrosion, mode of operation, pipeline, roughness.

УДК 628.179.34

АПРОБАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОЙ ТРУБЫ

© 2015

С. А. Анциферов, магистрант В. М. Филенков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция,

водоснабжение и водоотведение» Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Основными причинами значительного увеличения гидравлического сопротивления являются внутренняя коррозия, низкое качество материала труб, небрежный монтаж трубопроводов, особенности эксплуатации в агрессивных средах. Например, сварочные швы, выполненные с низким качеством трубы, изготовленные со значительными отклонениями от установленных размеров и геометрической формы, при соединении образуют уступы, которые увеличивают гидравлическое сопротивление трубопроводов. При этом возникают структурные изменения в металле, подвергшемся значительному температурному воздействию. Это, в свою очередь, может явиться предпосылкой к образованию фрагментов поверхности, благоприятной для дальнейшего образования коррозионных повреждений. Внутренняя коррозия способствует снижению пропускной способности трубопроводов, необходимости повышения напора, создаваемого насосной станцией. Повышение напора в результате изменения гидравлического сопротивления зависит от расхода жидкости и влияет на значение динамической составляющей напора, развиваемого насосной установкой, изменяет крутизну характеристики трубопровода. В статье описана схема и результаты испытаний стенда для определения гидравлического сопротивления сети при использовании шероховатых труб. Представлены теоретические основы гидравлического расчёта шероховатых труб. На испытательном стенде проведена серия замеров для построения экспериментальных характеристик сети с использованием стальных труб длиной 5 м, условным диаметром 25 мм, находившихся в эксплуатации в системе холодного водоснабжения жилого дома в течение 30 лет. Построенные по результатам опытов кривые и совпадение их в большей части диапазона измерений с теоретической позволяют сделать вывод о возможности использования данного стенда для определения фактических потерь давления на выбранных образцах труб.

Ключевые слова: гидравлическая характеристика, гидравлическое сопротивление, гидроизоляция, защита от коррозии, испытательный стенд, коррозия, коэффициент трения, режим эксплуатации, центробежный насос, шероховатость.