Методы и способы защиты от внутренней коррозии контурных водоносных систем.

Методы защиты разделяются на три типа: метод воздействия на металл, метод воздействия на среду и условия эксплуатации и комплексная защита, являющаяся комбинацией предыдущих двух методов.

 

На сегодняшний день существует несколько основных способов защиты от внутренней коррозии и отложений в контурных водоносных системах:

барьерная защита – воздействие на металл, путём нанесение защитного слоя на коррозирующую поверхность ;

химическая защите – метод воздействия на среду ингибиторами коррозии (химикаты), добавляя их в тепло- или хладоноситель с целью торможения процессов коррозии и отложений в системе;

деаэрация — удаление основных причин коррозии: кислорода, агрессивных анионов из жидкости (обычно воды), используемой в электростанциях и системах отопления.

Довольно часто эти способы считают друг с другом для достижения наиболее продолжительного эффекта защиты от  внутренней коррозии и отложений в водоносных системах.

 

Барьерная защита.

Барьерная защита металла — это механическая изоляция поверхности металла. Эффективность барьерной защиты зависит от степени сцепления краски с защищаемой поверхностью, степени непроницаемости (пористости), химической стойкости покрытий, от быстроты появления микротрещин в покрытии.

 Значительно увеличить защитные свойства покрытий позволяют наполнители различной природы и форм. Различают промежуточные и финишные покрытия барьерного типа. Для увеличения барьерных свойств используется алюминиевая пудра, стеклянная пыль и пластинчатый оксид железа. Добавление барьерных наполнителей физически увеличивает путь через слой покрытия, который пытаются преодолеть жидкостные или газовые молекулы. Так же применяется обработка стальных труб цинком, или оцинкование.

Однако применение красок и различных протекторов     имеет ряд недостатков: лакокрасочные покрытия имеют коэффициент расширения, отличный от расширения металлов, что приводит к трещинам в покрытии через которые проникает вода непосредственно к металлу. Что касается цинка, то он вступая в контакт с водой сам начинает реагировать и растворяться, делая поверхность металла незащищенной.

В виду того, что система, по сути, является закрытым сосудом, доступ внутрь системы затруднён, что делает весьма трудоемким и дорогостоящим процесс обновления защитных покрытий внутри системы. Ввиду этого барьерная защита от внутренней коррозии в контурных водоносных системах недолговечна. Высокая степень трудоёмкости восстановления такой защиты и высокая стоимость делают эту защиту  малоэффективной.

Химическая защита. Ингибиторы коррозии.

 

Ингибиторы коррозии, вещества, снижающие скорость коррозии; применяются для антикоррозионной защиты материалов, главным образом металлов.

Согласно стандарту ISO 8044-1986 ингибиторами коррозии (ИК) называют химические соединения, которые, присутствуя в коррозионной системе в достаточной концентрации, уменьшают скорость коррозии без значительного изменения концентрации любого коррозионного реагента. Ингибиторами коррозии могут быть и композиции химических соединений. Содержание ингибиторов в коррозионной среде должно быть небольшим.

Ингибиторы коррозии подразделяются:

• по механизму своего действия — на катодные, анодные и смешанные;

• по химической природе — на неорганические, органические и летучие;

• по сфере своего влияния — в кислой, щелочной и нейтральной среде.

Действие ингибиторов коррозии обусловлено изменением состояния поверхности металла вследствие адсорбции ингибитора или образования с катионами металла труднорастворимых соединений. Защитные слои, создаваемые ингибиторами коррозии, всегда тоньше наносимых покрытий. Ингибиторы коррозии могут действовать двумя путями: уменьшать площадь активной поверхности или изменять энергию активации коррозионного процесса.

***

Катодные и анодные ингибиторы замедляют соответствующие электродные реакции, смешенные ингибиторы изменяют скорость обеих реакций. Адсорбция и формирование на металле защитных слоев обусловлены зарядом частиц ингибитора и способностью образовывать с поверхностью химические связи.

Катодные ингибиторы коррозии замедляют катодные реакции или активное растворение металла. Для предотвращения локальной коррозии более эффективны анионные ингибиторы. Часто для лучшей защиты металлов от коррозии используют композиции ингибиторов с различными добавками.

При этом может наблюдаться:

• аддитивное действие, когда ингибирующий эффект отдельных составляющих смеси суммируется;

• антагонизм, когда присутствие одного из компонентов ослабляет ингибирующее действие другого компонента;

• синергизм, когда компоненты композиции усиливают ингибирующее действие друг друга.

***

Неорганические ингибиторы коррозии. Способностью замедлять коррозию металлов в агрессивных средах обладают многие неорганические вещества. Ингибирующее действие этих соединений обуславливается присутствием в них катионов (Са2+, Zn2+, Ni2+ , As3+, Bi3+, Sb3+) или анионов (CrO2-4, Cr202-7, NO-2, SiO2-3, PO3-4).

Анион — отрицательно заряженный ион. Характеризуется величиной отрицательного заряда; например, Cl− — однозарядный анион, а SO42− — двухзарядный анион. В электрическом поле анионы перемещаются к положительному электроду — аноду. Анионы имеются в растворах большинства солей, кислот и оснований, а также в кристаллических решетках соединений с ионной связью и в расплавах.

Катион — положительно заряженный ион. Характеризуется величиной положительного электрического заряда: например, NH4+ — однозарядный катион, Ca2+ — двухзарядный катион.

***

Сами ингибиторы коррозии зачастую токсичны и наносят вред здоровью человека и окружающей среде, и по этому требуют особых условий хранения, транспортировки. Применение требует высокой точности дозировки, сложного и дорогого технического оборудовании. При передозировке ингибиторы могут сами стать причиной коррозии, так как являются активными элементами и способны вступать в реакцию с металлом или стать причиной точечной коррозии. Ингибиторы являются причиной пересыхания прокладок и уплотнителей в соединениях системы, что приводит к вынужденному преждевременному ремонту. Со временем ингибиторы приобретают усталость и становятся неспособными сдерживать коррозию. Выпадая в осадок, они загрязняют систему и приводя к её порче.

В итоге приходится сливать воду из системы, очищать её и заполнять вновь. Эту процедуры необходимо повторять регулярно при использовании ингибиторов коррозии.

Таким образом, при их довольно большой стоимости, а так же сложности технологического процесса требуется постоянно контролировать концентрацию ингибиторов, что делает процесс трудоемким и дорогостоящим.

 Водоочистка. Деаэраторы.

 Деаэрация является завершающим этапом обработки питательной воды и играет решающую роль в предупреждении коррозии теплоэнергетического оборудование и трубопроводов. Наиболее эффективным и универсальным методом удаления из воды всех растворенных газов, нашедшим широкое распространение в теплоэнергетике, является термическая деаэрация. 

Сущность термической деаэрации заключается в создании условий для выхода растворенных газов из воды в парогазовое пространство деаэратора и последующей его выброса в атмосферу. Метод основан на перегреве воды выше температуры кипения, соответствующей давлению в рабочей зоне деаэратора.
Метод термической деаэрации реализуется в деаэраторах, которые в соответствии со стандартом делятся на следующие группы:

- деаэраторы повышенного давления;
- деаэраторы атмосферные;
- деаэраторы вакуумные.

 Назначение большинства элементов, тепловой схемы установки в общих чертах становится понятным после знакомства с паросиловым циклами. Деаэратор по своему назначению несколько отличается от остальных элементов схемы. С одной стороны его можно рассматривать, как промежуточный подогреватель смешивающегося типа, поскольку в него поступает горячий пар из второго отбора турбины и дренаж промежуточного пароперегревателя, а температура основного конденсата после прохождения через деаэратор увеличивается. Однако основное назначение деаэратора – удаление газообразных примесей из теплоносителя.

В воде конденсатно-питательного тракта могут присутствовать различные примеси: газообразные (кислород, углекислота, азот, аммиак, после прохождения через активную зону реактор к ни добавляются радиолитические и благородные газы), твердые (продукты коррозии конструкционных материалов), естественные (хлориды, кремнекислоты и другие).

Рассмотрим пути поступления примесей в цикл. Газообразные примеси поступают в основном за счет присосов воздуха в конденсаторе и в первых ПНД (подогреватели низкого давления), работающих при давлениях ниже атмосферного. На одноконтурных АЭС радиолитические газы (продукты радиолиза воды) и благородные газы (газовые осколки деления ядерного топлива) поступают вместе с паром в регенеративные подогреватели и в конденсатор. Продукты коррозии поступают в воду в результате взаимодействия конструкционных материалов с водной средой, образования окислов металлов и перехода их в воду. Поступление естественных примесей происходит в основном в конденсаторе за счет присосов охлаждающей воды в неплотностях теплообменной поверхности. Давление охлаждающей воды всегда выше давления конденсирующего пара в конденсаторе, и при наличии неплотностей происходит переток охлаждающей воды в конденсат. Практически присосы охлаждающей воды всегда имеют место, если даже с завода конденсатор поставлен достаточно плотным. В процессе эксплуатации в результате протекания коррозионных, эрозионных и других процессов происходит нарушение плотности, и присосы охлаждающей воды увеличиваются. Охлаждающая вода расходуется в больших количествах (для этой цели и создано водохранилище) и никакой предварительной обработке не подвергается. Поэтому даже незначительные присосы охлаждающей воды привносят значительные количества примесей.

Продукты коррозии, а также некоторые естественные примеси (например, кальций и магний) выпадают в отложения на теплопередающих поверхностях, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и возникновению под отложениями местных, наиболее опасных видов коррозионных повреждений. Это снижает экономичность, надежность и безопасность работы АЭС.

Из газовых примесей наибольшую опасность представляют кислород и углекислота.

Поступление углекислоты с присосами воздуха незначительно. Она образуется в конденсатно-питательном тракте за счет термического разложения бикарбонатов, поступающих с присосами технической воды, и последующего гидролиза карбонатов.

Пример химической реакции:

разложение:

гидролиз:

 Кислород и углекислота являются коррозионно-агрессивными агентами.

Для уменьшения коррозионных процессов, поверхности нагрева ПНД часто приходится выполняются из коррозионно-стойких материалов — латунных сплавов, нержавеющих аустенитных сталей и высоконикелевых сплавов.

Для того чтобы иметь возможность выполнять ПНД из более дешевых углеродистых сталей, необходимо удалить из воды коррозионно-агрессивные газы и, в первую очередь, кислород и углекислоту. Для этих целей применяют деаэрационную установку, делящую весь тракт от конденсатора до барабана сепаратора, на конденсатный и питательный тракты.

В настоящее время имеется несколько удачных типов деаэраторов, каждый из которых приспособлен для специальной цели. Существует установка и для удаления из воды СО2, Н2S и MH3.

Деаэрация холодной воды. Вакуумный метод.

 Существуют установки для деаэрации воды без нагревания дающие 15000 м3 в день и снижающие содержание кислорода до 0,22 мл/л, что признано достаточным для предупреждения коррозии и образования бугорков в длинном стальном трубопроводе. Вода в таком аппарате разбрызгивается по специальным лоткам камеры, находящейся под низким давлением. Газы могут удаляться паровыми эжекторами с холодильниками или вакуумными насосами.

 Деаэрация горячей воды

 

Главным условием деаэрации является поддержание воды в тонкораспыленном состоянии (в течение достаточного времени) при температуре кипения, соответствующей давлению, при котором растворенные газы свободно выделяются. При простом типе открытого нагревателя питательной воды деаэратор, при нагреве до 88 — 93° и свободном отводе газов в атмосферу, снижает концентрацию кислорода приблизительно до 0,3 мл/л. Это значительно уменьшает коррозию паровых котлов низкого давления. Однако в экономайзерах или котлах высокого давления коррозия так сильно возрастает с температурой, что необходимо более полное удаление кислорода.

 Деаэраторы для горячих систем водоснабжения

 Такой тип деаэраторов предназначен преимущественно для больших зданий, например, для больниц, гостиниц и т. п. Воду нагревают под вакуумом так, чтобы температура кипения ее не превышала 60—80°. Греющий пар проходит через змеевики и поэтому вода не соприкасается с ним и не загрязняется. Воду разбрызгивают вниз по тарелкам и нагревают двумя рядами паровых змеевиков. Температура пара, поступающего в нижние змеевики, выше температуры воды, которая вследствие этого испаряется; пар увлекает выделившиеся газы через клапан, охлаждаемый входящей холодной водой. Конденсат из клапана стекает обратно, в тарелочную камеру, в то время как газы выбрасываются вакуумным насосом или паровым эжектором.

Деаэратор помещается в подвале здания и требует циркуляционного насоса для горячей

воды; иногда его устанавливают на достаточно высоком уровне, чтобы возможна была подача воды за счет естественной циркуляции. В таких условиях достигается концентрация кислорода 0,04 мл/л, что обеспечивает защиту системы от коррозии при температуре ниже 70°.

 Деаэраторы для котловой питательной воды

 В этих деаэраторах осуществляется прямой контакт воды с паром. Чаще всего применяются деаэраторы тарелочного типа, работающие под давлением или вакуумом. Деаэратор с распылением, работающий под небольшим давлением, широко применяется в котельных установках. В деаэраторе тарелочного типа холодная питательная вода проходит через холодильник, затем поступает в камеру, нагреваемую паром, где разбрызгивается на металлические тарелки. После этого вода стекает в резервуар для хранения. Пар наполняет все пространство, причем направление его движения таково, что он нагревает воду и удаляет выделяющиеся газы. Таким образом можно достигнуть практически полного отсутствия кислорода в воде.

В более современной модели деаэратора происходит распыление воды в атмосферу пара при давлении приблизительно 0,1 кг/см2. Этот тип деаэратора разработан для судовых котлов. Вероятно он найдет применение также и для котлов стационарного типа.

Деаэратор состоит из холодильника, секции с паровым обогревом, деаэрационной секции, окружающей впуск пара, и секции для хранения деаэрированной воды, расположенной внизу аппарата. Холодная питательная вода проходит через холодильник, затем через распыляющие форсунки, поступает в камеру, обогреваемую паром, и снова через форсунки в деаэрационную камеру, а затем в водосборник. Пар входит в деаэрационную камеру под давлением 0,7 кг/см2 и подымается в холодильник, где выпускаются удаляемые (неконденсирующиеся) газы, а теплота пара передается воде, вступающей в аппарат. Большая часть растворенного кислорода удаляется из воды при первоначальном ее нагревании; последние 5% кислорода удаляются значительно труднее. Для этого служит деаэрационная камера, которая обеспечивает практически, полное удаление кислорода из воды.

Наиболее мощные деаэраторы удаляют также всю свободную двуокись углерода и частично — полусвязанную углекислоту и другие газы. При этом, вследствие удаления двуокиси углерода, рН воды увеличивается.

 Как видим, данный тип защиты весьма эффективен и не несёт в себе потенциальный вред для экологии и человека. Единственный, но существенный недостаток этого способа – довольно сложное техническое оснащение, большие габариты оборудования и очень узкий диапазон режима, в котором должен работать деаэратор для обеспечения удаления из воды вредных газов. Деаэратор не обеспечивает полного удаления солей из воды. Так же для обслуживания данной системы требуется штат квалифицированного персонала, осуществляющий контроль за работой деаэратора. Итог: система эффективна, но технически сложна и требует довольно много места и технически обученный штат персонала. Эффективна в основном для использования на паровых котлах.