Комплексне забезпечення корозійнобезпечної експлуатації систем тепловодопостачання житлово-комунальної інфраструктури

Ескіз

Файли

Vasyliev_dys.pdf (21.52 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Васильєв Г.С. Комплексне забезпечення корозійнобезпечної експлуатації систем тепловодопостачання житлово-комунальної інфраструктури. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.14 «хімічний опір матеріалів та захист від корозії». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Робота направлена на вирішення науково-технічної проблеми корозійнобезпечної та ефективної експлуатації систем господарсько-питного водопостачання та комунального теплопостачання житлово-комунальної інфраструктури за рахунок зниження корозійного руйнування трубопроводів та зниження осадження накипу в теплообмінному обладнанні. Проблема вирішується шляхом впливу на поверхню розділу фаз метал/корозійне середовище і обмеженого впливу на корозійне середовище за рахунок впровадження альтернативного підходу до водопідготовки у теплових мережах шляхом дозування реагентів комплексної дії на основі даних корозійного моніторингу, підвищення ефективності та надійності роботи пластинчатих теплообмінників теплових пунктів при накладанні ультразвукової вібрації та підвищення корозійної стійкості трубопроводів систем гарячого водопостачання шляхом впровадження комплексу експлуатаційних заходів. Впровадження розроблених у роботі підходів не потребує внесення змін у конструкцію систем тепловодопостачання. У першому розділі роботи проведений детальний аналіз будови систем телповодопостачання населених пунктів. Розглянуто види підведення теплової енергії до житлових будинків для потреб гарячого водопостачання та опалення, переваги та недоліки типових схем. Проведений детальний аналіз процесів внутрішньої корозії, що відбуваються в теплових мережах, теплообмінному обладнанні та внутрішньобудинкових мережах в залежності від режиму роботи та складу води. Показано, в усіх випадках корозію спричиняє розчинений у воді кисень, а характер руйнування залежить від режиму роботи системи. Розглянуто вплив складу води на осадження накипу на поверхнях нагріву, механізм цього процесу та економічні наслідки. Втрати палива від накипу становлять 1-3% на кожний міліметр товщини осаду. Проаналізована традиційні методи боротьби з корозією та накипоутворенням: деаерування та пом’якшення води у теплових мережах, застосування труб із захисним покриттям та періодичне видалення осадів у системах гарячого водопостачання. Визначено принципові недоліки цих методів. Окреслено фізико-хімічні задачі, вирішення яких є необхідним для практичного впровадження технологій корозійного контролю та протикорозійного захисту. У другому розділі наведено стислий опис використаних методів визначення швидкості корозії, елементного складу та структури поверхневих осадів, а також установок для проведення досліджень. Для дослідження процесів корозії маловуглецевих сталей застосовувалися поляризаційні методи: прямої поляризації та поляризаційного опору. Результати перевіряли методом масометрії. Для дослідження корозійної стійкості легованих сталей використовували методи потенціостатичної, гальваностатичної та потенціодинамічної поляризації. Процеси утворення накипу вивчали із застосуванням методів зсуву вуглекисневої рівноваги за рахунок електровідновлення кисню, а також метод термічної кристалізації. Для аналізу фазових шарів на поверхні металу використовували методи ІЧ-спектроскопії, рентгенофлюорисцентного та рентгеноструктурного аналізу. Морфологію поверхні та осадів досліджували методами скануючої електронної мікроскопії. Для прогнозування фізико-хімічних процесів використовували методи мультифізичного моделювання в середовищі Comsol Multiphysics. У третьому розділі приведені результати аналізу впливу умов експлуатації корозійного досліджуваної корозійної системи на електрохімічну активність продуктів корозії. Електрохімічна активність продуктів корозії обумовлена тим, що важкорозчинні сполуки тривалентного заліза виступають деполяризатором корозійного процесу. Поява на поверхні сталі додаткового деполяризатора не призводить до зростання швидкості корозії. Це пов’язано із тим, що шар гідроксиду, який містить іони Fe3+, одночасно відіграє роль бар’єру для доступу кисню до поверхні металу. Швидкість деполяризації сталі тривалентним залізом буде визначатися швидкістю доставки кисню до поверхні шару гідроксиду. Таким чином, тривалентне залізо виступає у ролі проміжної частинки в даному процесі. Воно відновлюється, окиснюючи поверхню заліза і окиснюється киснем, наявним у воді. Збільшення часу експозиції призводить до перекристалізації аморфних сполук у більш стабільний кристалічний гетит, що веде до зменшення концентрації електрохімічно активних іонів Fe3+ та зниженню швидкості корозії внаслідок блокування поверхні сталі від доступу кисню. Визначено, що вплив електрохімічно активних продуктів корозії у холодній водогінній воді призводить до завищення визначеного значення швидкості корозії на 60 % при використанні поляризаційних методів вимірювання. Збільшення температури води до 60 С, твердості до 4,5 ммоль/дм3 і швидкості потоку до 0,4 м/с веде до переважного утворення на поверхні металу шару карбонатних осадів, що не проявляють електрохімічної активності. У четвертому розділі наведені результати випробувань зразків багатотонажних продуктів переробки агропромислового комплексу сімейства хрестоцвітів в якості сировини для отримання «зелених» інгібіторів корозії для систем теплопостачання. Методом хромато-мас-спектроскопії проведено аналіз компонентного складу екстрактів. Протинакипну ефективність досліджено методами електрохімічного зміщення вуглексиневої рівноваги при катодному відновленні кисню та при термічні кристалізації. Встановлено, що протинакипний ефект проявляє спиртовий екстракт макухи редьки, ефективність інгібування накипу становить 75%. В той же час обмежена модифікація корозійного середовища екологічно-чистими, безпечними сполуками веде до зниження швидкості корозії за рахунок утворення на поверхні металу захисної плівки. В п’ятому розділі роботи наводяться результати впливу ультразвукової вібрації на стійкість легованих сталей AISI 430, 304, 316 до пітингової корозії в хлоридвмісних середовищах. Через санітарні обмеження для питної води, захист теплообмінних поверхонь пластинчатих апаратів у теплових пунктах неможливо здійснити із застосуванням інгібіторів корозії. Перспективним підходом для підвищення пітингостійкості високолегованих сталей до локальних видів корозії є застосування ультразвуку, але ультразвукова обробка середовища має дуже обмежений радіус дії – 10-50 см від випромінювача. Збільшення радіусу дії вимагає підвищення потужності ультразвуку, що може негативно впливати на метал, викликаючи кавітаційне руйнування. Запропоновано замінити введення ультразвуку у середовище на прикладання ультразвукової вібрації до металу. Швидкість поширення звуку в металі більше ніж у воді у 3,8 рази, за рахунок цього зона впливу вібрації збільшується, а потужність ультразвуку зменшується. Це одночасно дозволяє забезпечити обробку поверхні в докавітаційному режимі та веде до енергозбереження. Показано, що накладання ультразвукової вібрації частотою 28 кГц і потужністю 1,2 Вт призводить до зміщення потенціалу пітингу на 100- 150 мВ в анодну сторону, а струм розчинення сталі через пітинги знижується в 10-30 разів при накладанні вібрації. Встановлено механізм ультразвукового пригнічення пітингу, який полягає у вібраційному зниженні адгезії шару осаду над зоною пітингу, що веде до нейтралізації кислого середовища в зоні пітингу та репасивації металу внаслідок інтенсивного перемішування розчину в приповерхневому шарі. Показано, що залежність зміщення потенціалу пітингу від прикладеної потужності ультразвуку має лінійний характер. Ефективність ультразвукового пригнічення пітингів підтверджена методами оптичної та електронної мікроскопії поверхні після випробувань, даними хронометрії та кулонометрії та зміни маси в результаті анодної поляризації. В шостому розділі наведені результати досліджень впливу режимів роботи системи гарячого водопостачання на утворення стійких захисних шарів на внутрішній поверхні трубопроводів. Показано, що підтримання швидкості потоку не нижче 0,3 м/с та рівня підживлення системи гарячого водопостачання не менше 30% об’єму систему на годину дозволяє знизити швидкість корозії сталевих трубопроводів принаймні у 2 рази за рахунок утворення на їх поверхні природного захисного шару із продуктів корозії та осадів солей твердості. Більша швидкість потоку зменшує товщину дифузійного шару і дозволяє кисню швидше досягати поверхні металу. Збільшення подачі кисню прискорює корозію і підлуговування в катодних зонах. Крім того, більша швидкість потоку збільшує надходження іонів HCO3 – , утворюючи захисний карбонатний шар. Таким чином, поверхня повністю покривається шаром кристалів кальциту невеликих розмірів, що діє як бар’єр для кисню, і швидкість корозії зменшується. Більша швидкість потоку також покращує блокуючі властивості поверхневого шару в анодних зонах. Тонший дифузійний шар і більший запас кисню переміщують місце перебігу реакції з об'єму розчину в пору. Це підтримує окислення іонів Fe2+ у порах і запобігає їх проникненню в об’єм розчин, блокуючи тим самим пори продуктами зневоднення Fe(OH)3. Сформований шар щільний, міцно зчеплений з поверхнею і має здатність до самовідновлення. Показано, що встановлення в систему гарячого водопостачання електролізерних установок з магнієвим анодом дозволяє захистити катодно лише незначну ділянку труби (10-15 см) навколо магнієвого анода. Решта поверхні металу захищається за рахунок посилення захисних властивостей карбонатів в присутності електрохімічно введених іонів магнію. Визначено оптимальне співвідношення потоків у з’єднаннях труб системи гарячого водопостачання. Так, для мінімізації негативного впливу пар диференційної аерації бажано підтримувати рівномірний розподіл потоків у з’єднаннях труб, а швидкість потоку не нижче 0,3 м/с. У сьомому розділі роботи приведені розробки засобів корозійного контрою та протикорозійного захисту, результати їх промислових випробувань та впровадження. Для надійної роботи засобів корозійного моніторингу в умовах утворення електрохімічно активних продуктів корозії розроблено нову конструкцію датчика, який можна вилучати із трубопроводу без зупинки останнього. Розроблені нові мікропроцесорні корозиметри, що можуть в автоматичному режимі керувати дозуючим обладнанням для введення інгібітору корозії. На основі корозиметрів, які додатково обладнано GSM-модулем дистанційної передачі показань, побудована система дистанційного корозійного моніторингу. Проведені успішні промислові випробування такої системи в умовах реагентної водопідготовки на районній котельні міста Києва та показана можливість переходу від традиційної водопідготовки до реагентної без погіршення якості теплоносія. В результаті випробувань було встановлено, що розбіжність між методами не перевищує 5- 15 % для котельних різних типів. Електрохімічний метод дозволяє визначати вплив різних факторів на швидкість корозії: об’єм підживлення, наявність корозійних процесів в обладнанні водопідготовки та пошкодження бойлерів систем гарячого водопостачання. Висока чутливість та оперативність даного методу можуть бути використані для подальшого контролю цих параметрів. Проведені випробування протикорозійної та протинакипної ефективності ультразвукової вібрації на теплообмінному апараті. Визначено мінімальну потужність ультразвуку, необхідну для підтримання безнакипного режиму роботи пластинчатого теплообмінника, яка становить 100 Вт/м2 . Ультразвукова вібрація запобігає утворенню кристалів карбонату на поверхні теплообмінних пластин, забезпечуючи підтримання їх в очищеному стані в ході експлуатації. Дана технологія покладена в основу протикорозійного захисту пластинчатих теплообмінників. Удосконалено електронний блок установок магнієвого захисту від корозії типу ЩИТ. Введено функцію архівування результатів роботи установки для аналізу ефективності захисту в часі та коригування захисного струму в залежності від фактичних результатів роботи. Установки магнієвого захисту від корозії введено в ДБН В.2.5-39:2008 та успішно впроваджуються при будівництві нового житла.

Опис

Ключові слова

корозія, сталь, накип, теплова мережа, гаряче водопостачання, ультразвук, магній, поляризаційний опір, corrosion, steel, scale, heat network, hot water supply, ultrasound, magnesium, polarization resistance

Бібліографічний опис

Васильєв, Г. С. Комплексне забезпечення корозійнобезпечної експлуатації систем тепловодопостачання житлово-комунальної інфраструктури : дис. … д-ра техн. наук : 05.17.14 – хімічний опір матеріалів та захист від корозії / Васильєв Георгій Степанович. – Київ, 2023. – 365 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/54385

DOI

Зібрання

Дисертації (ТЕХВ)
Дисертації (вільний доступ)