Комплексне забезпечення корозійнобезпечної експлуатації систем тепловодопостачання житлово-комунальної інфраструктури
| dc.contributor.author | Васильєв, Георгій Степанович | |
| dc.date.accessioned | 2023-04-07T11:54:50Z | |
| dc.date.available | 2023-04-07T11:54:50Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | The work is aimed at solving the scientific and technical problem of corrosionsafe and effective operation of domestic and drinking water supply systems and communal heat supply of residential and communal infrastructure due to the reduction of corrosive destruction of pipelines and the reduction of scale deposition in heat exchange equipment. The problem is solved by influencing the surface of the metal/corrosive medium interface and limited influence on the corrosive medium due to the implementation of an alternative approach to water treatment in heat networks by dosing reagents of complex action based on corrosion monitoring data, increasing the efficiency and reliability of the plate heat exchangers of thermal points by application of ultrasonic vibration and increasing the corrosion resistance of pipelines of hot water supply systems by implementing a set of operational measures. The implementation of the approaches developed in the work does not require making changes to the design of heating and water supply systems. In the first section of the work, a detailed analysis of the structure of hot water supply systems of settlements was carried out. The types of thermal energy supply to residential buildings for the needs of hot water supply and heating, advantages and disadvantages of typical schemes are considered. A detailed analysis of internal corrosion processes occurring in heat networks, heat exchange equipment and indoor networks depending on the mode of operation and water composition was carried out. It is shown that in all cases corrosion is caused by oxygen dissolved in water, and the nature of the destruction depends on the operating mode of the system. The influence of water composition on the deposition of scale on heating surfaces, the mechanism of this process and economic consequences are considered. Fuel losses from scale are 1-3% for each millimeter of sediment thickness. Traditional methods of combating corrosion and scale formation were analyzed: deaeration and softening of water in heating networks, use of pipes with a protective coating and periodic removal of sediments in hot water supply systems. The fundamental shortcomings of these methods have been identified. Physico-chemical problems are outlined, the solution of which is necessary for the practical implementation of corrosion control and anti-corrosion protection technologies. The second chapter provides a brief description of the methods used to determine the corrosion rate, elemental composition, and structure of surface sediments, as well as research techniques. To study corrosion processes of lowcarbon steels, polarization methods were used: direct polarization and polarization resistance. The results were checked by weight-loss technique. Potentiostatic, galvanostatic and potentiodynamic polarization techniques were used to study the corrosion resistance of stainless steels. The processes of scale formation were studied using the methods of shifting the carbon dioxide balance due to the electroreduction of oxygen, as well as the method of thermal crystallization. The methods of IR spectroscopy, X-ray fluorescence and X-ray structural analysis were used to analyze the phase layers on the metal surface. The morphology of the surface and sediments was studied by scanning electron microscopy. To predict physicochemical processes, computer modeling methods were used in the Comsol Multiphysics environment. The third section presents the results of the analysis of the influence of the operating conditions of the corrosion system under study on the electrochemical activity of corrosion products. The electrochemical activity of corrosion products is caused by sparingly soluble compounds of Fe3+ act as a depolarizer of the corrosion process. The appearance of an additional depolarizer on the steel surface does not lead to an increase in the corrosion rate. This is due to the fact that the hydroxide layer, which contains Fe3+ ions, simultaneously plays the role of a barrier for access of oxygen to the metal surface. The rate of depolarization of steel by ferric iron will be determined by the rate of delivery of oxygen to the surface of the hydroxide layer. Thus, trivalent iron acts as an intermediate particle in this process. It is restored by oxidizing the iron surface and is oxidized by the oxygen present in the water. An increase in the exposure time leads to the recrystallization of amorphous compounds into more stable crystalline goethite, which leads to a decrease in the concentration of electrochemically active Fe3+ ions and a decrease in the corrosion rate due to the blocking of the steel surface from oxygen access. It was determined that the influence of electrochemically active corrosion products in cold tap water leads to an overestimation of the determined value of the corrosion rate by 60% when using polarization measurement methods. An increase in water temperature to 60 C, hardness to 4.5 mmol/dm3 , and flow rate to 0.4 m/s leads to the preferential formation of a layer of carbonate deposits on the metal surface that do not exhibit electrochemical activity. The fourth chapter presents the results of tests of samples of multi-tonnage processing products of the agro-industrial complex of the cruciferous family as raw materials for obtaining "green" corrosion inhibitors for heat supply systems. The component composition of the extracts was analyzed by the method of gaschromatography mass-spectroscopy. The anti-scaling efficiency was investigated by the methods of electrochemical shift of the carbon balance during cathodic reduction of oxygen and during thermal crystallization. It was established that the alcohol extract of radish cake has an anti-scale effect, the scale inhibition efficiency is 75%. At the same time, limited modification of the corrosive environment with environmentally friendly, safe compounds leads to a decrease in the rate of corrosion due to the formation of a protective film on the surface of the metal. In the fifth section of the work, the results of the influence of ultrasonic vibration on the resistance of AISI 430, 304, 316 stainless steels to pitting corrosion in chloride-containing environments are given. Due to sanitary restrictions for hot potable water, protection of the heat exchange surfaces of plate apparatus in thermal points cannot be carried out with the use of corrosion inhibitors. A promising approach to increase the pitting resistance of highly alloyed steels to local types of corrosion is the use of ultrasound, but ultrasonic treatment of the environment has a very limited radius of action – 10-50 cm from the horn. Increasing the radius of action requires increasing the power of ultrasound, which can negatively affect the metal, causing cavitation destruction. It is proposed to replace the introduction of ultrasound into the environment with the application of ultrasonic vibration to the metal. The speed of sound propagation in metal is 3.8 times greater than in water, due to this, the area of influence of vibration increases, and the power of ultrasound decreases. This simultaneously allows for surface treatment in the pre-cavitation mode and leads to energy savings. It is shown that the application of ultrasonic vibration with a frequency of 28 kHz and a power of 1.2 W leads to a shift of the pitting potential by 100-150 mV to the anode side, and the steel dissolution current through the pitting decreases by 10-30 times when the vibration is applied. The mechanism of ultrasonic suppression of pitting has been established, which consists in vibrational reduction of the adhesion of the sediment layer above the pitting zone, leads to neutralization of the acidic environment in the pitting zone and repassivation of the metal due to intensive mixing of the solution in the near-surface layer. It is shown that the dependence of the displacement of the pitting potential on the applied ultrasound power is linear. The effectiveness of ultrasonic suppression of pitting is confirmed by the methods of optical and electron microscopy of the surface after the tests, data of chronometry and coulometry and changes in mass as a result of anodic polarization agrees well. The sixth chapter presents the results of studies of the influence of hot water supply system operating modes on the formation of stable protective layers on the inner surface of pipelines. It is shown that maintaining the flow rate at least 0.3 m/s and the level of the hot water supply at least 30% of the system volume per hour allows to reduce the corrosion rate of steel pipelines by at least 2 times due to the formation of a natural protective layer on their surface corrosion products and deposits of hardness salts. A higher flow rate reduces the thickness of the diffusion layer and allows oxygen to reach the metal surface faster. Increasing the supply of oxygen accelerates corrosion and alkalizing in the cathodic zones. In addition, a higher flow rate increases the supply of HCO3 – ions, forming a protective carbonate layer. Thus, the surface is completely covered with a layer of small calcite crystals, which acts as a barrier to oxygen, and the rate of corrosion is reduced. A higher flow rate also improves the blocking properties of the surface layer in the anodic zones. A thinner diffusion layer and a larger supply of oxygen move the site of the reaction from the volume of the solution to the pore. This supports the oxidation of Fe2+ ions in the pores and prevents their penetration into the solution volume, thereby blocking the pores with Fe(OH)3 dehydration products. The formed layer is dense, firmly attached to the surface and has the ability to self-heal. It is shown that the installation of electrolyzer units with a magnesium anode in the hot water supply system allows cathodic protection of only a small section of the pipe (10-15 cm) around the magnesium anode. The rest of the metal surface is protected due to the strengthening of the protective properties of carbonates in the presence of electrochemically introduced magnesium ions. The optimal ratio of flows in the pipe connections of the hot water supply system was determined. So, in order to minimize the negative impact of differential aeration pairs, it is desirable to maintain a uniform distribution of flows in pipe connections, and the flow speed is not lower than 0.3 m/s. The seventh chapter of the work presents the development of corrosion control and anti-corrosion protection means, the results of their industrial tests and implementation. For the reliable operation of corrosion monitoring tools in the conditions of the formation of electrochemically active corrosion products, a new design of the probe has been developed, which can be removed from the pipeline without stopping the latter. New microprocessor corrometers have been developed that can automatically control the dosing equipment of corrosion inhibitor. A remote corrosion monitoring system was built based on corrometers, which are additionally equipped with a GSM module for remote transmission of data. Successful industrial tests of such a system were carried out in the conditions of reagent water treatment at the district boiler house of the city of Kyiv, and the possibility of transition from traditional water treatment to reagent without deterioration in the quality of the coolant was shown. As a result of the tests, it was established that the discrepancy between the methods does not exceed 5-15% for boilers of different types. The electrochemical method allows you to determine the influence of various factors on the corrosion rate: the volume of feed, the presence of corrosion processes in the water treatment equipment and damage to the boilers of hot water supply systems. The high sensitivity and efficiency of this method can be used for further control of these parameters. Tests of the anti-corrosion and anti-scale effectiveness of ultrasonic vibration on the heat exchanger were conducted. The minimum ultrasound power required to maintain scale-free operation of the plate heat exchanger was determined, which is 100 W/m2 . Ultrasonic vibration prevents the formation of carbonate crystals on the surface of the heat exchange plates, ensuring that they are kept in a clean state during operation. This technology is the basis of anti-corrosion protection of plate heat exchangers. The electronic unit of magnesium protection unit type has been improved. The function of archiving the results of the installation has been introduced to analyze the effectiveness of the protection over time and to adjust the protective current depending on the actual results of the operation. Installations of magnesium protection against corrosion were introduced in DBN B.2.5-39:2008 and are successfully implemented during the construction of new housing. | uk |
| dc.format.extent | 365 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/54385 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | корозія | uk |
| dc.subject | сталь | uk |
| dc.subject | накип | uk |
| dc.subject | теплова мережа | uk |
| dc.subject | гаряче водопостачання | uk |
| dc.subject | ультразвук | uk |
| dc.subject | магній | uk |
| dc.subject | поляризаційний опір | uk |
| dc.subject | corrosion | uk |
| dc.subject | steel | uk |
| dc.subject | scale | uk |
| dc.subject | heat network | uk |
| dc.subject | hot water supply | uk |
| dc.subject | ultrasound | uk |
| dc.subject | magnesium | uk |
| dc.subject | polarization resistance | uk |
| dc.subject.udc | 620.193, 620.197 | uk |
| dc.title | Комплексне забезпечення корозійнобезпечної експлуатації систем тепловодопостачання житлово-комунальної інфраструктури | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Vasyliev_dys.pdf
- Розмір:
- 21.52 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: