Современные способы защиты металлов от коррозии и их роль в защите конструкций и городских коммуникаций

Nu=0,023 Re⁰,⁸ Sc⁰,³³                                                                                            (1) 

      где Nu- число Нуссельта, Re- число Рейнольдса, Sc-число Шмидта.

      Критериальные числа определяются как:  

Nu = N d / (D ( c_b-c_o)), Re = V d / v, Sc = v / D                                                       (2) 

      где N - удельный поток массы (на единицу  концентрации) на поверхность трубы, d - диаметр трубы,

      D - коэффициент диффузии кислорода, cb, c_o - концентрация кислорода в ядре потока и на поверхности трубы, соответственно, v - кинематический коэффициент вязкости. Исходя из уравнения (1) были рассчитаны возможные значения потока массы кислорода на стенку N для средних условий теплосети. Удельный поток кислорода N увеличивается при росте скорости движения теплоносителя и уменьшении диаметра трубы. Эта зависимость качественно подтверждает вывод о преимущественно внутренних причинах коррозии. Количественные расхождения могут быть устранены, если учесть, что ранее при проектировании сетей принимали более высокие скорости в трубах меньшего диаметра, а также наличие ржавчины, ускоряющее со временем движение теплоносителя тем больше, чем меньше диаметр [6].

     Для сетей в целом возможный диапазон изменения N составляет 0,004-0,02 см с^­1. Это означает, что при одной и той же концентрации кислорода скорость коррозии в сети может меняться 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 различных диаметров, так как процессы, возникающие  в них, в целом идентичны. Расчеты  показывают, что при работе водогрейный  котел ПТВМ-50 должен поглощать около 50% поступающего в него кислорода.

     Отношение концентрации кислорода в сетевой  воде на выходе из котельной (подающий трубопровод) к концентрации кислорода  на входе (обратный трубопровод) должно быть не меньше 4-5. Действительно, при  корректном отборе пробы концентрация кислорода на выходе из котельных  предприятия составляет в среднем 40-50 мкг/кг, обратная вода обычно содержит менее 10 мкг/кг кислорода. Таким образом, результаты анализа статистики повреждаемости сетей предприятия и переноса в них кислорода приводят к согласованному выводу - надежность, длительность и эффективность работы систем теплоснабжения существенно сильнее зависят от интенсивности внутренней кислородной коррозии, чем считалось ранее. Качественное улучшение характеристик работы открытых систем только путем совершенствования теплогидрозоляции сетевых трубопроводов без существенного улучшения водно-химического режима представляется маловероятным [5,8].

       Радикальный метод сведения к  минимальному уровню процесса  внутренней коррозии - устранение  путей попадания кислорода в  подпиточную и сетевую воду. Ликвидация этих путей требует больших капитальных затрат на переоснащение технологических схем и оборудования котельных, переход на закрытую схему теплоснабжения, на переоборудование индивидуальных тепловых пунктов зданий, центральных тепловых пунктов и домовой системы горячего водоснабжения. Естественно, в обозримом будущем это малове роятно [6]. Другой метод - всемерное ужесточение требований к содержанию кислорода, качественное повышение уровня контроля за его содержанием и проведение антикоррозионных мероприятий, включающих надежную консервацию систем в межотопительный период и коррозионное ингибирование сетевой воды в отопительный период [6,11].

      Длительное  применение силиката натрия в качестве рекомендуемого нормативного ингибитора кислородной коррозии не выявило  его заметной эффективности, но вместе с тем показало, что на верхнем  разрешенном уровне 30-40 мг/л наблюдается  заметное ухудшение органолептических  свойств горячей воды. В настоящее  время силикат натрия в качестве ингибитора на тепловых сетях предприятия  практически не применяется. Других эффективных ингибиторов кислородной  коррозии, допустимых к применению в воде питьевого качества, до последнего времени известно не было.

      Следует отметить, что предлагаемые сегодня  композиции фосфоновых кислот и солей цинка являются по прямому назначению эффективными ингибиторами карбонатных отложений [7]. Их использование не устраняет необходимости проведения антикоррозионных мероприятий. Природная невская вода - мягкая и малощелочная - при параметрах систем теплоснабжения никогда не образует солевых отложений. Но даже если бы был выявлен антикоррозионный эффект в невской воде (таких испытаний не проводилось) целесообразность их применения в открытых системах оставалась бы под вопросом из-за больших затрат на реагенты. Ориентировочно для типовой системы мощностью 320 МВт было бы необходимо 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 совершенно нового типа коррозионного ингибитора - химически инертного коллоидно-углеродного [17]. Наблюдения за поведением кислорода в тепловых сетях показали, что ржавчина не только не препятствует проникновению кислорода к поверхности металла, но, напротив, может создавать новые, вероятно осмотические, механизмы транспорта кислорода к поверхности и отвода от нее продуктов коррозии. Если нарушить действие аномально высоких механизмов подвода кислорода, можно резко снизить общую и, особенно опасную, локальную кислородную коррозию стали.

     Первоначально основное внимание было сосредоточено  на изучении возможности защитить с  помощью коллоидного ингибитора стальные водогрейные котлы, как  наиболее подверженный кислородной  коррозии и удобный для наблюдений компонент системы теплоснабжения. За восемь лет таких наблюдений за работой более 40 стальных котлов типа ПТВМ-30 и ПТВМ-50 было установлено, что  при концентрации ингибитора в сетевой  воде 20-50 мкг/кг коррозионный ресурс котлов увеличивается в несколько раз. При нормируемых и умеренно высоких содержаниях кислорода в сетевой воде (до 100-200 мкг/кг) исключается необходимость проведения чисток котлов в течение длительного, ориентировочно 10 лет, периода. При любых возможных концентрациях кислорода гидравлическое сопротивление котлов стабилизируется на уровнях, позволяющих эксплуатировать их в течение всего отопительного сезона [5,9].

     Оценка  коррозионной эффективности коллоидного  ингибирования в отношении существующих тепловых сетей объективно затруднена их малой доступностью, разветвленностью, большим коррозионным ресурсом, отличиями  в сроках службы различных участков. Кроме того, необходимо учитывать  такие факторы как наружная коррозия, электрокоррозия, дефекты в проектировании, в монтаже трубопроводов тепловых сетей, их ремонте и обслуживании.

     Для того, что бы улучшить работу открытых систем необходимо наряду с внедрением новых теплогидроизоляционных покрытий трубопроводов, сосредоточить усилия на максимально возможном снижении внутренней кислородной коррозии, используя  более совершенные методы и приборы  контроля кислорода, современное оборудование и технологии антикоррозионной защиты [10]. 

 

     1.3.2 Материалы, применяемые для защиты от коррозии

 

     Лакокрасочные покрытия вследствие экономичности, удобства и простоты нанесения, хорошей стойкости  к действию промышленных агрессивных  газов нашли широкое применение для защиты металлических конструкций  и металлов от коррозии [9].

     Защитные  свойства лакокрасочного покрытия в  значительной степени обуславливаются  механическими и химическими  свойствами, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью.

     Перхлорвиниловые  и сополимерно- лакокрасочные материалы широко используются в противокоррозионной технике.

     Лакокрасочные материалы в зависимости от назначения и условий эксплуатации делятся  на восемь групп [9,11]:

• А – покрытия стойкие на открытом воздухе;
• АН – то же, под навесом;
• П – то же, в помещении;
• Х – химически стойкие;
• Т – термостойкие;
• М – маслостойкие;
• В – водостойкие;
• ХК – кислостойкие;
• ХЩ – щелочестойкие;
• Б – бензостойкие.

     Для противокоррозионной защиты применяются  химически стойкие перхлорвиниловые материалы:

• лак ХС-724,
• эмали ХС и сополимерные грунты ХС-010,
• ХС-068,
• покрытия на основе лака ХС-724 и каменноугольной смолы,
• лаки ХС-724 с эпоксидной шпаклевкой ЭП-0010.

     Защитные  покрытия получают последовательным нанесением на поверхность грунта, эмали и  лака. Число слоев зависит от условий  эксплуатации покрытия, но должно быть не менее 6. Толщина одного слоя покрытия при нанесении пульверизатором 15…20 мкм. Промежуточная сушка составляет 2…3 ч при температуре 18…20 С [9].

     Окончательная сушка длится 5 суток для открытых поверхностей и до 15 суток в закрытых помещениях. Окраска химически стойким  комплексом (грунт ХС-059, эмаль 759, лак  ХС-724) предназначена для защиты от коррозии наружных металлических поверхностей оборудования, подвергающихся воздействию  агрессивных сред щелочного и  кислотного характера. Этот комплекс отличается повышенной адгезией за счет добавки  эпоксидной смолы. Химически стойкое  покрытие на основе композиции из эпоксидной шпаклевки и лака ХС-724 совмещает  в себе высокие адгезионные свойства, характерные для эпоксидных материалов и хорошую химическую стойкость, свойственную перхлорвинилам. Для нанесения композиций из эпоксидной шпаклевки и лака ХС-724 рекомендуется готовить следующие два состава [6,10,13]:

1. Состав грунтовочного слоя, 4 по массе:

     1.Эпоксидная  шпаклевка ЭП-0010 100

      2.Отвердитель №1 8, 5

      3.Растворитель Р-4 35…45

2. Состав переходного слоя, 4 по массе:

1. Эпоксидная шпаклевка ЭП-0010 15

2. Лак ХС-724 100
3. Отвердитель №1 1, 3
4. .Растворитель Р-4 до рабочей вязкости

     Для покрывного слоя используется лак ХС-724.

     Состав  комплексного пятислойного покрытия, г/мІ:

1. Эпоксидная шпаклевка300
2. Лак ХС-724 450
3. Отвердитель №1 60
4. Растворитель Р-4 260

     Для механического упрочнения покрытия его полируют стеклотканью. Ориентировочный  расход материалов при нанесении  на металлическую поверхность составляет 550…600 г/м2, на бетонную – 600…650 г/м2.

     Трещиностойкие химически стойкие покрытия применяют на основе хлорсульфированного полиэтилена ХСПЭ.

     Для защиты от коррозии железобетонных несущих  и ограждающих строительных конструкций  с шириной раскрытия трещин до 0, 3 мм применяют эмаль ХП-799 на основе хлорсульфированного полиэтилена [11].

     Защитные  покрытия наносят на поверхность  бетона после окончания в нем  основных усадочных процессов.

     При этом конструкции не должны подвергаться воздействию жидкости (воды) под  давлением противоположной покрытию стороны или это воздействие  следует предотвращать специальной  гидроизоляцией [6].

     Материалы на основе хлорсульфированного полиэтилена  пригодны для работы при температуре –60 до +130 С (выше 100 С – для кратковременной работы в зависимости от термостойкости входящих в состав покрытия пигментов) [13,14].

     Покрытия  на основе ХСПЭ, стойкие к озону, парогазовой среде, содержащей кислые газы Cl2, HCl, SO2, SO3, NO2 и к растворам кислот, могут наноситься краскораспылителем, кистью, установкой для безвоздушного нанесения.

     При работе краскораспылителем и кистью лакокрасочные материалы следует  разводить до рабочей вязкости ксилолом или толуолом, а при нанесении  установкой безвоздушного напыления  – смесью ксилола (30%) и сольвента (70%) [6,14].

     Металлизационно - лакокрасочные покрытия находят широкое применение для защиты от коррозии металлических конструкций, эксплуатируемых в атмосферных условиях и агрессивных средах [6].

     Такие комбинированные покрытия наиболее долговечны (20 лет и более).  

Заключение

     Защита  от коррозии трубопроводов тепловых сетей в настоящее время является одной из главных задач, от решения  которой во многом зависит повышение  надежности централизованного теплоснабжения, в котором тепловые сети являются наиболее уязвимым звеном. Как показал  многолетний опыт эксплуатации тепловых сетей различных конструкций, их долговечность обусловлена главным  образом коррозионной стойкостью теплопроводов. Тепловые сети перекладывают в основном вследствие наружной коррозии трубопроводов. Лишь 25-30% повреждений тепловых сетей  по России связаны с внутренней коррозией. В общем случае это положение объясняется неблагоприятными условиями их эксплуатации в отличие от «холодных» трубопроводов и слабыми защитными свойствами изоляционных конструкций. Исследование механизма наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей, а также опыт их эксплуатации показали, что в большинстве случаев наружной коррозии подвержены подающие трубопроводы, работающие в опасном температурном режиме свыше 70% времени в течение года. Очевидно, для вновь строящихся и реконструируемых тепловых сетей наиболее радикальным способом решения проблем повышения коррозионной стойкости теплопроводов, является   применение  надежных и  долговечных изоляционных конструкций и антикоррозионных покрытий. С учетом перспективности этого направления, в ряде регионов РФ и в том числе в Москве, в Тепловых сетях ОАО «Мосэнерго» начато применение теплогидроизоляционных конструкций с теплоизоляцией на основе жесткого термостойкого пенополиуретана и с гидроизоляционной оболочкой, из полиэтиленовой трубы (конструкция «труба в трубе»), широко применяемых в мировой практике (с системой оперативно-дистанционного контроля состояния теплоизоляции ОДК) [6].