CC BY
186
УДК 669.1
К ВОПРОСУ О КОРРОЗИИ ТРУБ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
А.Н. Зайцев, Е.В. Суздальцева Московский политехнический университет
Аннотация
На трубопроводе горячего водоснабжения ООО «АГРАНА Фрут Московский регион (г. Серпухов) наблюдается коррозия сварных соединений. Технология подготовки воды на водозаборном узле предусматривает дозирование в воду гипохлорита натрия.
Анализ существующей схемы подготовки воды, а также результатов лабораторных анализов воды позволили сделать вывод о достаточно большой концентрации в воде хлорноватистой кислоты. Кроме того, при выполнении сварочных работ при монтаже трубопроводов горячего водоснабжения не были приняты меры по восстановлению структуры стали сварных соединений и околошовной зоны. В статье показываются причины возникновения коррозии трубопровода горячего водоснабжения, выполненного из нержавеющей стали и даются рекомендации по предотвращению коррозии.
Для обеспечения технологического процесса на ООО «АГРАНА Фрут Московский регион» (г. Серпухов) требуется горячая вода с температурой 60—65 оС. По условиям местных нормативных актов, трубопровод горячего водоснабжения выполнен из нержавеющей стали. Однако, несмотря на то, что трубопровод горячего водоснабжения выполнен из нержавеющей стали, имеются следы ржавчины в районе сварных стыков, а также наличие точечной (питтинговой) коррозии, которая наблюдается, в основном, на нижней образующей трубопровода. Кроме того, на фланцевых соединениях арматуры, на воздушниках и дренажах также имеются следы коррозии. Коррозии также подвержены два бака, входящие в схему водоснабжения, объемом 8 м3 каждый, также изготовленные из нержавеющей стали.
Трубопровод горячего водоснабжения изначально был изготовлен из нержавеющей стали AISI 304. Впоследствии он был заменен на трубопровод такого же типоразмера, но из нержавеющей стали AISI 316. Эти стали относятся к аустенитному классу сталей и широко используются при прокладке различного рода трубопроводов на предприятиях пищевой промышленности. Однако, несмотря на замену, коррозия сварных соединений все равно продолжалась. Это послужило причиной для проведения исследований.
На ООО «АГРАНА Фрут Московский регион» используется следующая схема подготовки воды. Сырая вода из артезианских скважин поступает на водозаборный узел, где осуществляется ее подготовка к использованию в технологическом процессе. Первый этап ее обработки — обезжелезивание. В исходную артезианскую воду дозируется раствор перманганатом калия с целью окисления соединений двухвалентного железа, содержащихся в артезианской воде, и перевода его в трехвалентную форму, которая практически нерастворима в воде. Далее, обработанная перманганатом калия вода проходит через механические фильтры, где происходит ее механическое очищение от выпавших в осадок соединений трехвалентного железа.
Поскольку для технологического процесса необходимо иметь воду определенной жесткости, часть артезианской воды поступает на натрий-катионитный фильтр, где происходит ее умягчение. Умягченная вода после фильтров смешивается с частью воды, которая не подвергалась умягчению. Изменяя расходы воды на
Ключевые слова:
трубопровод, нержавеющая сталь, коррозия, гипохлорит натрия, хлорноватистая кислота, аустенизация, пассивирование, дехлорирование. История статьи:
Дата поступления в редакцию 11.04.17 Дата принятия к печати 12.04.17
фильтры и помимо них, получают воду требуемой жесткости.
Далее вода проходит стадию обработки ультрафиолетовым облучением в установке обеззараживания, необходимую для уничтожения опасных бактерий.
На последнем этапе подготовки артезианской воды к использованию, в воду вводится в определенных дозах гипохлорит натрия, окончательно удаляющий из воды плесень и грибы. Дозирование в воду гипохло-рита натрия требуется по технологии и закреплено в местных инструкциях.
Подготовленная таким образом вода направляется в резервуары и из них насосом подается на дальнейшее использование в технологическом процессе, для подготовки горячей воды и для нужд котельной. Существующая схема подготовки воды на водозаборном узле приведена на рис. 1.
Рис. 1. Существующая схема подготовки воды на водозаборном узле.
1 — скваженный насос; 2- фильтр; 3- дозатор пераманганата калия; 4 — фильтр обезжелезивания; 5 — фильтры умягчения; 6 — байпас-ная линия; 7 — ультрафиолетовый облучатель; 8 — дозатор гипох-лорита натрия; 9 — резервуар; 10 — существующая насосная группа
Средний расход воды, направляемой на производство горячего водоснабжения, составляет 18—23 м3/ч, максимально, в пиковом режиме, расход достигает 50 м3/ч. После подготовки вода из резервуаров поступает на теплообменники горячего водоснабжения и далее по трубопроводу направляется на технологические нужды.
Трубопроводы в пределах водозаборного узла выполнены частично из полиэтилена и частично из стальных труб (сталь 20), трубопровод от водозаборного узла до котельной — из полиэтиленовых труб. Трубопроводы в пределах котельной и трубопровод горячего водоснабжения технологических потребителей — из нержавеющей стали.
Разработка рекомендаций по устранению причин коррозии оборудования и трубопроводов, выполненных из нержавеющей стали, явилось целью настоящей работы.
Рассмотрим некоторые аспекты коррозии нержавеющих сталей.
Нержавеющая сталь является сплавом железа с добавкой хрома и других легирующих элементов, чтобы придать стали особые свойства или свойства для работы в особых средах. Главное — нержавеющая сталь в основе своей представляет железо (например, около 70% для типа 304Ь и 69% для типа 316Ь).
Как правило, коррозия обычно начинается с поверхности металла и при дальнейшем ее развитии распространяется вглубь, вызывая изменение состава металла и его свойств. Металл при этом частично либо полностью разрушается, либо же продукты коррозии могут образоваться в виде осадка на поверхности ме-
талла. Скорость коррозии металлов в значительной степени зависит от характера воздействующей среды. Процессы коррозии по-разному протекают в кислых, щелочных и нейтральных средах; при повышении температуры коррозионные процессы активизируются, одновременное воздействие агрессивной газовой (воздушной) среды и повышенных температур приводит к интенсивному образованию продуктов коррозии и, соответственно, изменению свойств металла и внешнего вида оборудования.
В зависимости от характера коррозионного разрушения коррозия может быть равномерной (сплошной) или неравномерной, т. е. сосредоточенной на отдельных участках. Если коррозия вызывает разрушения только некоторых участков металла, а остальная часть поверхности остается незатронутой, то такой вид коррозии называют местной. Различают несколько видов местной коррозии, в том числе:
1) коррозия пятнами — разрушения на отдельных участках распространяются в виде пятен на небольшую глубину; такое разрушение более близко к равномерной коррозии;
2) коррозия в виде язв — углубления в металле, сосредоточенные на сравнительно ограниченных участках;
3) точечная коррозия — глубокие местные разрушения в виде точек, которые могут перейти в сквозные;
4) межкристаллитная коррозия — ее можно отнести к избирательной коррозии, характеризующейся разрушением металла по границам кристаллитов;
Равномерная коррозия представляет собой один из наименее опасных видов коррозии, чаще всего равномерная коррозия не вызывает значительного разрушения металла, тем не менее она может быть нежелательной по причине потускнения или изменения цвета металла. Различные виды местной коррозии происходят в случаях неполной пассивности металла, при неравномерной аэрации углублений, различной концентрации раствора в разных точках, при неоднородной обработке металла.
При точечной коррозии на отдельных участках конструкций или оборудования могут образоваться раковины и сквозные отверстия. Точечная коррозия особенно типична для пассивирующихся металлов (хром, алюминий, хромоникелевые стали) и возникает в результате нарушений в отдельных участках пассивирующего слоя, который покрывает поверхность стали и предотвращает возникновение коррозии.
Вторым по распространенности видом повреждения нержавеющих сталей после точечной коррозии является щелевая коррозия.
Щелевая коррозия возникает в тех местах, где между стальным изделием и другим предметом образуется небольшой зазор. В роли этого второго предмета обычно выступает изолирующий материал: уплотнитель или резиновая прокладка; это может быть и металлический предмет. Геометрия зазора — решающий фактор начала развития щелевой коррозии. Зазор должен быть достаточно большим для проникновения химически агрессивной жидкости, но не настолько большим, чтобы материал мог вымываться из зазора течением или конвекцией жидкости.
Механизм образования щелевой коррозии хорошо известен. Первая стадия — это накопление в зазоре агрессивных ионов (таких как хлорид-ионы) и вытеснение кислорода из раствора внутри зазора. Это приводит к формированию анода в зазоре, а материал вне зазора становится катодом. Коррозия образуется в зазоре по двум причинам: во-первых, пассивная пленка разрушается из-за вытеснения кислорода, во-вторых, коррозионные реакции в анодной зоне вызывают изменение кислотности среды (со временем кислотность в зазоре возрастает).
Щелевая коррозия наиболее интенсивна в кислотных условиях, в хлоридсодержащих средах. Для устранения щелевой коррозии очень важен выбор материалов, контактирующих со средой. Повышение текучести среды также уменьшит последствия щелевой местной коррозии.
Межкристаллитная коррозия очень опасна вследствие разрушения металла по границам кристаллитов. Часто межкристаллитная коррозия не изменяет внешнего вида металла, и разрушение оборудования или детали может произойти неожиданно.
Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей происходит, когда границы зерен активны, а сами зерна пассивны. Обычно такое ржавление возникает в двух случаях:
- когда нарушены режимы термообработки нержавеющей стали или когда термообработка не производилась;
- месте сварного соединения и в околошовной зоне, если не были выполнены мероприятия по восстановлению пассивации.
Границы и тело зерен имеют совершенно разные условия пассивации. Хром в объеме более 12 процентов содержится в теле зерна. За счет этого в твердом растворе зерно остается в пассивном состоянии. А на границах зерен формируются интерметаллиды и карбиды. В них хрома уже меньше 12 процентов, что приводит к малому уровню пассивации.
Межкристаллитная коррозия чаще всего поражает стали аустенитного класса. В них нет специальных легирующих добавок — ниобия и титана. Аустенитные нержавеющие стали особенно подвержены межкри-сталлитной коррозии после отпуска металла при 650 градусах.
Сенсибилизация нержавеющей стали — это вид межкристаллитной (межзеренной) коррозии, который приводит к выпадению кристаллов стали с поверхности металла. Если это явление происходит в зоне сварного соединения, его часто называют коррозией сварного шва. Если сенсибилизация происходит в пределах узкой полосы, это называется «ножевой коррозией». Например, нержавеющая сталь 316 может сенсибилизироваться при нагревании до температур в диапазоне 480-900°С. При более высоких температурах сенсибилизация может начаться практически сразу, в течение 3—5 минут. Если температура ниже, для сенсибилизации потребуется более часа.
Сенсибилизация вызывает коррозию, так как границы между зернами теряют хром из-за образования интерметаллических карбидов. Шесть атомов углерода изымают из сплава 23 атома хрома. Это может привести к снижению местного содержания хрома с 18 до 12%. Когда сенсибилизированная нержавеющая сталь встречается с агрессивной средой, центр кристалла становится катодом, а граница между зернами — очень активным местным анодом. Начальный период развития процесса может затянуться, поскольку разрушение поверхностных кристаллов занимает длительное время. Тем не менее, когда связи между зернами ослабевают, кристаллы выпадают с поверхности и оставляют черноватые ямки.
В сварных соединениях высоколегированных сталей часто наблюдается так называемая «ножевая коррозия», являющейся разновидностью межкристаллитной коррозии. Опасность возникновения такой коррозии особенно велика в зонах сварного шва. Режим сварки нержавеющих сталей должен быть таким, чтобы участки стали у шва не попадали в область действия опасных температур 450—850 °С, так как в этом интервале температур при последующем медленном охлаждении происходит обеднение хромом пограничных участков зерен металла. Возникает процесс депассивации, в результате чего коррозионная стойкость стали резко понижается. Неправильно выбранный режим термической обработки в процессе изготовления оборудования или термическое воздействие в опасном интервале (сварка, гибка с подогревом и т.д.) вызывает снижение коррозионной стойкости и появление склонности к межкристаллитной коррозии.
Все вышеперечисленные виды коррозии наблюдались на трубопроводах горячего водоснабжения, транспортирующих горячую воду из котельной на технологические нужды. Помимо этого, обработка сварных соединений (пассивация) трубопроводов для восстановления структуры металла производилась только с наружной стороны, в то время как внутренняя поверхность труб вблизи сварных соединений и сами сварные соединения обработке не подвергались.
При выполнении обследования трубопроводов горячего водоснабжения особое внимание было уделено технологии выполнения сварки. Вообще, сварке нержавеющих сталей необходимо уделять особое внимание, так как сварные швы и околошовная зона являются наиболее уязвимыми участками для коррозии. Сварка должна проводиться в среде инертного газа, шов должен быть ровный, без зазоров, свищей и расслоений, сам шов и околошовная зона должны иметь только «цвета побежалости». Наличие черно-красной окалины говорит о выгорании легирующих элементов и исчезновении коррозионной стойкости. После выполнения сварки необходимо произвести зачистку сварной зоны и шва и восстановить пассивную пленку химическим путем специальными растворами или пастами.
Аустенитные стали в закаленном состоянии имеют стойкую аустенитную структуру, не распадающуюся при температурах до 400 оС. Дальнейший нагрев сталей, или их медленное охлаждение при температурах 450—900 оС приводит к образованию избыточных фаз в виде карбидов хрома. Эти карбиды выделяются по границе зерен и обедняют пограничный хромовый слой. При действии агрессивной среды наблюдается вытравливание вдоль границ кристаллов вдоль областей обедненных хромом — возникает межкристаллитная коррозия. Как правило, межкристаллитной коррозии подвержены сварные швы и околошовные зоны (так называемая «ножевая коррозия»).
Самыми распространенными импортными сталями аустенитного класса, применямым для изготовления трубопроводов на предприятиях пищевой промышленности, являются стали марок АК1 304, АК1 304Ь, А1Б1316, АШ 316Ь, однако стали этих марок не стабилизированы титаном, а значит, подвержены межкри-сталлитной коррозии и снижению коррозионной стойкости в зонах нагрева: в зонах сварки, пайки, гибки. Эти зоны необходимо после механической зачистки подвергать обязательной химической пассивации специальными пастами или растворами. Различные термические, механические и химические воздействия на эти стали как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации оборудования, меняют структуру поверхности стали, что делает ее уязвимой к воздействию различных рабочих сред и средств санитарно-гигиенической обработки.
Анализ сварочной документации показал, что при сварке трубопроводов горячей воды использовалась обычная технология сварки — сварка неплавящимся электродом в среде защитного газа (аргона). После выполнения сварочных работ наружная поверхность зачищалась и пассивировалась азотной кислотой.
Таким образом, коррозионные процессы нержавеющих сталей имеют одну общую черту: слой пассивации оксидом хрома нарушается, и незащищенная железная составляющая окисляется.
Необходимо обратить особое внимание на такой фактор, как состав используемой воды. Коррозия сталей может возникать в любой воде — чистой, сверхчистой, паре, очищенной питьевой воде или неочищенной технической воде. Умягчение воды не удаляет анионы, такие как карбонаты, бикарбонаты, хлориды и т. п., а только обеспечивает обмен катионами, такими как кальций и магний, с катионами натрия. Даже кратковременное воздействие хлорсодержащих реагентов может стать отправной стадией появления коррозии.
Обработанная на станции водоподготовки вода обычно очищается от содержания железа, частично умягчается и обрабатывается гипохлоритом натрия для удаления бактерий, грибов, плесени и т.д. При контакте обработанной таким образом воды с хлором, остаточные бикарбонаты железа и кальция начинают окисляться:
2Бе(НС03)2 + Са(НС03)2 + С12 ^ 2Бе(0Н)3 + СаС12 + 4С02 (1)
2Бе(ОН)3 ■ Бе203 +Н2 (2)
Сварной шов начинает подвергаться коррозии по причине образования коррозионных элементов под воздействием ржавчины и хлорида кальция.
Как правило, ржавчина нержавеющей стали возникает при присутствии хлоридов или других галоге-нидов. Эта коррозия образуется и формируется на поверхности нержавеющей стали в местах нарушения пассивирующего слоя. Наиболее часто такая коррозия появляется на непассивированных поверхностях и может свидетельствовать о точечной коррозии. Появившуюся ржавчину удаляют шлифовкой и полировкой, но чаще всего используется вытравливание кислотой. Лимонная кислота, например, является хорошим чистящим средством и пассивирует нержавеющую сталь, но если в воде присутствуют хлориды, поверхность будет вновь подвергаться коррозии.
Ржавчина образуется в результате реакции из двух стадий: первая стадия представляет собой растворение пассивационного слоя оксида хрома, а вторая состоит в окислении железа в материале с образование хлорноватистой кислоты:
Сг О + 10С1 +2Н О ■2СгС1 + 4НС10 (3)
2 3 2 3 4 '
2Бе + 2С1О ■ Бе2О3 + 3С1 (4)
Данная реакция самоподдерживающаяся посредством взаимодействия хлора с хромом для образования хлорноватистой кислоты в качестве побочного продукта, а хлорноватистая кислота окисляет железо и образует хлориды в еще большем количестве.
При любом контакте нержавеющей стали с хлор-ионом возникает опасность образования ржавчины. Растворы с рН >7 обеспечивает меньшую возможность образования ржавчины, нежели растворы с рН < 7. Даже кратковременное воздействие хлор-иона может стать отправной стадией ржавления, в особенности, если поверхность нержавеющей стали шероховатая.
Дезинфекция воды на станции водоподготовки осуществляется путем дозирования гипохлорита натрия (№С10). Добавление в воду гипохлорита натрия приводит к образованию хлорноватистой кислоты (НС10), которая в дальнейшем диссоциирует с образованием иона (С10-).
Гипохлорит натрия — неустойчивое соединение, легко разлагающееся с выделением кислорода. Наиболее устойчивая форма — пентагидрат гипохлорита натрия (№0СЬ5Н20), в такой форме гипохлорит натрия поступает в продажу.
Растворяясь в воде, гипохлорит натрия диссоциирует на катионы натрия и анионы хлорноватистой кислоты:
№0С1 ■ №+ +ОС1- (5)
Так как хлорноватистая кислота (N00) является очень слабой, гипохлорит-ион в водной среде подвергается гидролизу с образованием хлорноватистой кислоты:
0С1- + Н20 ^ Н0С1 + ОН- (6)
Вне зависимости от того, какой препарат на основе хлора применяется, дезинфицирующим веществом будет оставаться хлорноватистая кислота Н0С1 (или, так называемый, «свободный хлор»). В водных растворах, при определенных условиях, ей свойственно распадаться на ион водорода Н+ и гипохлорит-ион 0С1-. Данная реакция обратима, а кислотно-щелочной баланс среды соответственно влияет на баланс протекания реакции. Чем более среда кислая (то есть чем ниже уровень рН), тем больше концентрация хлорноватистой кислоты. Так при рН=5 содержание Н0С1 стремится к 100%, а вот при рН=8 её количество будет всего около 23%. На рис. 2 показано соотношение хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона в зависимости от рН среды.
100.00
90.00 30.00 70.00 60.00 50,00 40.00 30.00 20,00 10.00 0.00
МО
С1 1 о с»
у / __
5,0
6.0
7.0
е.о
9.0
10 0
рН
Рис. 2. Зависимость содержания хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов в воде от величины рН
Бактерицидный эффект, оказываемый хлорноватистой кислотой, примерно в 100 раз выше, чем ионом 0С1-, в то же время хлорноватистая кислота почти в 300 раз более агрессивна, чем анион хлорноватистой кислоты С10-.
На станции водоподготовки ОАО «Аграна Фрут» для окончательной дезинфекции воды применяется дозирование в воду гипохлорита натрия марки А по ГОСТ 11086-76 с содержанием активного хлора ~190 г/л в количестве 4—5 л с периодичностью один раз в два дня. Обработанная таким образом вода направляется в
два железобетонных резервуара общим объемом 800 м3, соединенных параллельно. Из резервуаров вода насосом подается в котельную. Контроль за остаточным содержанием свободного хлора в воде не проводится.
Выполненные в лаборатории предприятия анализы показали, что остаточное содержание свободного хлора (вода из резервуара) составляет 0,8 мг/л, рН воды составляет 7,5—7,8, что существенно выше нормативного значения остаточного содержания свободного хлора 0,3—0,5 мг/л. При таких значениях рН воды доля хлорноватистой кислоты составляет примерно 50-60%, т.е. вода является агрессивной.
Таким образом, анализ существующей схемы подготовки воды, технологии выполнения сварочных работ на трубопроводах горячего водоснабжения, а также результаты анализов на остаточное содержание свободного хлора показали, что проявление коррозионных процессов на трубопроводах системы горячего водоснабжения вызвано следующими причинами:
- наличием в питьевой воде, поступающей на приготовление горячей воды, достаточно большого содержания хлорноватистой кислоты, поскольку дозирование гипохлорита натрия в воду осуществляется объемным способом без учета остаточного содержания свободного хлора в воде резервуаров;
- нарушением структуры металла сварных швов и околошовной зоны с образованием избыточных фаз в виде карбидов хрома при выполнении сварочных работ при монтаже трубопровода горячего водоснабжения. Эти карбиды выделяются по границе зерен и обедняют пограничный хромовый слой. А наличие в воде достаточно большой концентрации хлорноватистой кислоты приводит к коррозии нержавеющей стали. Кроме того, сварные соединения с внутренней поверхности не подвергались пассивации из-за сложности осуществления этой операции.
На основании анализа материалов были разработаны рекомендации, направленные на недопущение или резкое снижение коррозии трубопроводов и оборудования, выполненных из нержавеющей стали.
1. После выполнения сварочных работ выполнять термическую обработку сварных соединений с целью улучшения структуры металла, в частности, проводить аустенизацию сварных соединений. Режимы и способы термообработки нержавеющих сталей выбираются в соответствии с [2]. При аустенизации сварное соединение нагревают примерно до 1080—1130 °С, выдерживают в течение 1—2 ч и охлаждают на воздухе. Как указывается в [2], кучшее сопротивление коррозии достигается при отжиге на уровне 1070 °С и быстром охлаждении.
В результате аустенизации удается получить однородную структуру аустенита, улучшить механические свойства стали и снизить уровень сварочных напряжений.
После аустенизации необходимо выполнить травление и пассивирование сварных соединений.
2. Всегда выполнять травление и пассивацию сварных соединений с целью улучшения структуры металла. Режимы и способы химической пассивации нержавеющих сталей приведены в [4]. Повысить коррозионную стойкость любой нержавеющей стали, особенно на начальном этапе эксплуатации, можно с помощью принудительной пассивации (образования защитной пленки оксида хрома) с использованием химических окислителей, например растворов бихромата натрия.
3. Величину свободного хлора в воде, находящейся в резервуарах, рекомендуется держать не выше 0,3 мг/л [3], а также несколько увеличить рН воды до 8,0—8,5 (нормативное значение рН= 9,0) с целью снижения агрессивности.
4 Вода, направляемая на подогрев в систему горячего водоснабжения, должна быть освобождена от свободного хлора и, по возможности, от хлоридов. С этой целью были разработаны и предложены схемы подготовки воды для использования в котельной и технологии:
а) Схема подготовки воды без резервуаров. В этом случае вода из артезианских скважин после системы обезжелезивания и умягчения направляется на дальнейшее использование, минуя накопительные резервуары (рис. 3). При работе водозаборного узла по этой схеме весь поток воды из артезианских скважин проходит последовательно стадии обезжелезивания, умягчения и обеззараживания в установке ультрафиолетового облучения.
Рис. 3. Схема подготовки воды без резервуаров.
11 — буферный бак; 12 — бактерицидный фильтр. Остальные обозначения как на рис. 1
Как показало обследование, сновное загрязнение воды различного рода микробиологическими образованиями происходит именно в резервуарах, поэтому данная схема позволяет избежать такого загрязнения. При использовании резервуаров с целью предотвращения образования грибковых и плесневых микрообразований в них, в воду дозируется гипохлорит натрия. Количество гипохлорита натрия устанавливается экспериментально таким образом, чтобы остаточное содержание свободного хлора не превышало нормативных значений (0,3—,5 мг/л) при рН воды в баках 7,5—8,0. В предлагаемой схеме резервуары используются только в качестве баков запаса воды, в том числе и для пожарных нужд.
б) Схема подготовки воды с использованием накопительных резервуаров и последующим ее дехлорированием на сорбционных угольных фильтрах (рис. 4).
Рис. 4. Схема подготовки воды с использованием сорбционных фильтров.
13 — группа сорбционных фильтров. Остальные обозначения как на рис. 1
Поскольку основной причиной коррозии труб из нержавеющей стали существующей системы подготовки горячей воды является наличие хлорноватистой кислоты (свободного хлора), требуется перед нагревом холодной воды выполнить ее дехлорирование. В качестве установки для удаления свободного хлора (хлорноватистой кислоты) возможно применение сорбционных угольных фильтров, загруженных активированным углем.
Механизм дехлорирования на активированном угле отличается от механизма адсорбции органических веществ. Дехлорирование происходит за счет разложения образовавшейся хлорноватистой кислоты на поверхности активированного угля. Реакции, происходящие при дехлорировании:
Carbon + NOCl ■ C*O + H+ + Cl- (7)
Carbon + OCl- ■ C*O + Cl- (8)
Здесь Carbon — связанный углерод; C*O — некоторое поверхностное кислородное соединение.
Реакция гидролитического разложения хлора на активированном угле протекает достаточно быстро.
Теоретически возможно осуществить разложение всей хлорноватистой кислоты, однако этом случае потребуется большое число сорбционных фильтров, что приведет к существенному удорожанию установки. Поэтому остаточное содержание свободного хлора принято на уровне 0,05 мг/л.
Одновременно с дехлорированием на сорбционных фильтрах рекомендуется увеличить рН воды, доведя его значение до рН = 8,5—8,7 (нормативное значение рН — не более 9,0). В этом случае в воде будут присутствовать гипохлорит-ионы OCl- в количестве примерно 90—92%, а количество хлорноватистой кислоты NOCl будет находиться в пределах 8—10% по сравнению с 50% при рН=7,5, т.е. агрессивность воды резко уменьшится. Это существенно ослабит коррозионную активность воды, что, в свою очередь, ослабит процесс коррозии нержавеющей стали.
С другой стороны, pH воды оказывает существенное влияние на удаление хлора на активированном угле, так как от pH среды зависит соотношение между хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом. Например, при увеличение pH среды от 7 до 9, объем активированного угля рекомендуется увеличить на 30—60 %.
В качестве сорбционных фильтров рекомендуется использовать сорбционные фильтры сорбции АК-ВАФЛОУ FF1640 С в количестве 8 шт.
Недостатком данной схемы является большие габариты сорбционных фильтров и необходимость дополнительного помещения для их размещения, дополнительные затраты на электроэнергию, сброс воды в канализацию при промывки фильтров.
Кроме того, при подготовке воды с использованием сорбционных фильтров остается опасность коррозии за счет остаточного содержания в воде хлорноватистой кислоты, поскольку невозможно полностью осуществить ее разложение на сорбционных фильтрах. Для полного удаления из воды остатков хлорноватистой кислоты рекомендуется ее нейтрализация перекисью водорода.
в) Схема подготовки воды с использованием накопительных резервуаров с последующим удалением из воды остаточного свободного хлора за счет дозирования в воду перекиси водорода (рис. 5).
Такая схема позволяет полностью избавиться от остатков гипохлорита натрия, при диссоциации и гидролизе которого образуется хлорноватистая кислота. Реакция, происходящая при дозировании в воду перекиси водорода:
NaOCl + H2O2 ■ NaCl + H2O + O2 (9)
Расчеты показали, что при максимально возможном расходе воды 50 м3/ч потребность в 100% перекиси водорода составит ~57500 мг/ч или в пересчете на 30% раствор 143 мл/ч (~3,5 л/сутки). Точное значение количества перекиси водорода определяется в процессе выполнения наладочных работ.
Дозирование в воду перекиси водорода также может осуществляться после удаления хлора на сорбци-онных фильтрах (рис. 6). В этом случае, как показали расчеты, максимальная потребность в 100% перекиси водорода составит ~2500 мг или в пересчете на 30% раствор 6 мл/ч (144 мл/сутки).
Рис. 5. Схема с удалением остаточного свободного хлора при помощи перекиси водорода.
14 — дозатор перекиси водорода; 15 — дополнительная насосная группа. Остальные обозначения как на рис. 1
77;
Скважина №2 .
1 2
I
КМп04
ЧХг
1 г
V/
I
МаОС1
КМп04
ы-
\ Скважина
Воба на нукйы проиэбввсгтЛа
12 А —
на
Л*
РезерЬ^ар
каэ&ЕГы
У=4П0иЗ
Л*
По марш С реэерйцар
УаООмЭ
Рис. 6. Схема подготовки воды с использованием сорбционных фильтров и дозированием перекиси водорода.
Обозначения как на рис. 1 и 5
Преимуществом данного способа является возможность полного удаления свободного хлора из воды.
Недостаток схем, приведенных на рис. 5 и 6 — необходимость промежуточной емкости для удаления из воды газообразного кислорода, образующегося в результате химической реакции и наличие дополнительного оборудования (насосной группы), а также сброс воды в канализацию после промывки фильтров.
Таким образом, для предотвращения коррозионных процессов трубопроводов горячего водоснабжения, выполненных из нержавеющей стали, необходимо выполнить требования по обработке сварных стыков после монтажа, а также обеспечить отсутствие или свести к минимуму остаточное содержание хлорноватистой кислоты (свободного хлора) в воде.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 11086-76 Гипохлорит натрия. Технические условия (С изменениями № 1, 2).
2. ОСТ 36-50-86 «Трубопроводы стальные технологические. Термическая обработка сварных соединений. Типовой технологический процесс».
3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
4. ASTM А 967=01 «Стандартные технические условия для химической пассивации и обработки деталей из нержавеющей стали».
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Зайцев А.Н, Суздальцева Е.Н. К вопросу о коррозии труб горячего водоснабжения из нержавеющей стали. — Системные технологии. — 2017. — № 23. — С. 4—14.
THE ISSUE OF CORROSION OF HOT WATER PIPES STAINLESS STEEL Zaytsev A.N., Suzdaltseva E.N., Moscow Polytechnic University
Abstract
On the piping hot water LLC «AGRANA fruit Moscow region (Serpukhov) there is corrosion of welded joints. Technology of water preparation at water site involves dosing to the water of sodium hypochlorite. Analysis of the existing scheme of water preparation, as well as results of laboratory analyses of water allowed to draw a conclusion about enough high concentration in water hypochlorous acid. In addition, when performing welding work at the piping hot water had not been taken to restore the structure of steel welds and heat-affected zone.
The article describes the causes of corrosion of piping hot water, made of stainless corrosion prevention.
Keywords:
tubing, stainless steel, corrosion, sodium hypochlorite, hypochlorous acid, austenization, passivation, dechlorination. Date of receipt in edition: 11.04.17
Date of acceptance for printing: 12.04.17
steel and provides recommendations for
