Коррозионная ситуация на трассах городских теплопроводов - Статья

Экономическая эффективность теплофикации городов в значительной степени определяется сроком службы теплопроводов и их изоляционных покрытий. Необходимость разработки методов контроля опасности коррозии и осуществления мер защиты от нее требует изучения условий и механизмов протекания коррозионных процессов на подземных теплопроводах, а также анализа коррозионных повреждений, связанных с конструктивными особенностями теплопроводов. Анализ распределения коррозионных повреждений по видам тепловой изоляции показал, что наибольшее число коррозионных повреждений и наиболее интенсивная коррозия имеются на теплопроводах, изолированных шлаком, органическими материалами и всеми видами гигроскопических теплоизоляторов. 2, коррозионные разрушения на теплопроводах с армопенобетонной теплоизоляцией наблюдаются преимущественно на участке прохода трубы (главным образом, подающего трубопровода) из грунта в камеру: в 70 случаях из 118 вскрытий (60%), в том числе сквозные свищи. Наиболее эффективными мерами, ограничивающими величину блуждающих токов в теплопроводах, являются увеличение переходного сопротивления между теплопроводом и окружающей средой, а также продольного электрического сопротивления самого теплопровода.

Экономическая эффективность теплофикации городов в значительной степени определяется сроком службы теплопроводов и их изоляционных покрытий. Амортизационный срок службы теплопроводов может исчисляться несколькими десятилетиями, однако их реальная долговечность, как и ряда других подземных трубопроводов, обуславливается в первую очередь коррозионной стойкостью, которая при определенных обстоятельствах может снижать этот срок в десятки раз. Как свидетельствует статистика ОРГРЭС (советского периода), более половины всех повреждений теплопроводов вызывается коррозией. Во многих случаях долговечность теплопроводов (до первого сквозного повреждения) не превышает 10 лет. Хотя по некоторым другим данным известны случаи сквозных коррозионных повреждений на теплопроводах уже через 2-3 года эксплуатации. Таким образом, для надежной и безопасной работы ответственных и дорогостоящих подземных тепловых сетей необходима их эффективная защита от коррозии. На протяжении многих лет несомненным лидером в этом вопросе остаются Академия Коммунального хозяйства имени К.Д. Памфилова и инжиниринговая компания (ранее Всесоюзный Научно-исследовательский институт) ОАО ВНИИСТ.

1. Коррозионные повреждения тепловых сетей

В зависимости от способов прокладки и условий эксплуатации наружная и внутренняя поверхности теплопроводов могут подвергаться коррозионному воздействию контактирующей (окружающей) среды, воздействию блуждающих токов, а иногда и микробиологическому коррозионному влиянию неочищенной от бактериальных штаммов водной субстанции. Необходимость разработки методов контроля опасности коррозии и осуществления мер защиты от нее требует изучения условий и механизмов протекания коррозионных процессов на подземных теплопроводах, а также анализа коррозионных повреждений, связанных с конструктивными особенностями теплопроводов.

Наиболее специфической особенностью конструкции является тип прокладки тепловых сетей - канальный и бесканальный. При бесканальной прокладке изоляционная конструкция теплопровода имеет прямой контакт с окружающим грунтом. При канальной прокладке теплопроводы в каналах обычно размещают на подвесных конструкциях, выполняющих одновременно три функции - защитно-механическую, теплоизоляционную и антикоррозионную. При этом антикоррозионные покрытия испытывают воздействие как влажности окружающей атмосферы, так и температуры теплоносителя, которая может достигать 150 ОС. Принимая во внимание потенциальную гигроскопичность тепловой изоляции (минеральной ваты, пенобетона и т.п. материалов), в таких условиях она становится опасным источником коррозионного влияния окружающей среды на теплопроводы канальной прокладки.

Анализ материалов вскрытий теплопроводов теплосети Мосэнерго показал, что коррозионные разрушения в той или иной степени были обнаружены почти на 70% всех вскрываемых участков теплосети. Кроме того на 40% вскрытых участков обнаружена равномерная коррозия с большой толщиной слоя продуктов коррозии в сочетании с язвами и кавернами глубиной более 1-3 мм, из которых до 9% образовали сквозные свищи в стенках труб (таблица 1).

Таблица 1. Данные вскрытий теплопроводов теплосети Мосэнерго.

Анализ распределения коррозионных повреждений по видам тепловой изоляции показал, что наибольшее число коррозионных повреждений и наиболее интенсивная коррозия имеются на теплопроводах, изолированных шлаком, органическими материалами и всеми видами гигроскопических теплоизоляторов. Одной из основных причин такой зависимости является наличие в указанных материалах серы и сернистых соединений. При вскрытии теплопроводов обнаруживают, что корродирующая поверхность труб имеет в основном равномерный сплошной износ металла. Коррозионные глубинные повреждения обнаруживаются лишь на 20-25% вскрываемых участков теплосети. Ряд специалистов полагает, что теплопроводы, использующие воду в качестве теплоносителя, корродируют главным образом в летний период, когда изза отсутствия подсушки происходит усиленное увлажнение покрывающей трубы тепловой изоляции. При этом более интенсивная коррозия наблюдается в нижней части труб.

Производственная лаборатория теплосети Ленэнерго в заключительные годы Советского периода собрала статистическую информацию о коррозионной ситуации на городских теплосетях, проложенных в монолитном автоклавном армопенобетоне (таблица 2).

Таблица 2

Как следует из табл. 2, коррозионные разрушения на теплопроводах с армопенобетонной теплоизоляцией наблюдаются преимущественно на участке прохода трубы (главным образом, подающего трубопровода) из грунта в камеру: в 70 случаях из 118 вскрытий (60%), в том числе сквозные свищи. Линейная часть теплопроводов (участка между теплофикационными камерами) при этом менее подвержена коррозии, коррозионные разрушения обнаружены лишь в 5 из 63 случаев вскрытий линейной части теплосети.

Позднее сектор защиты от коррозии подземных сооружений Академии Коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова аналитически рассмотрел акты 646 случаев вскрытия теплопроводов московской городской теплосети. Основное количество этих актов было составлено в порядке плановой шурфовки эксплуатационными районами теплосети. Количественное распределение вскрытий приблизительно отражает соотношение протяженности действовавших в Москве теплопроводов по типам прокладки изоляционных конструкций и видам теплоизоляционных покрытий. Общие результаты этого анализа показали, что за прошедший до того момента период амортизации коррозия теплосетей не уменьшилась и была обнаружена на тепловых сетях более, чем в 60% вскрытий.

Анализ актов вскрытий на московских теплосетях не позволил сопоставить интенсивность коррозионного разрушения на прямых и обратных трубопроводах. Не была также установлена закономерность преимущественного расположения на трубах коррозионных повреждений, которые обнаруживаются как в нижних, так и в верхних сегментах труб. Однако с полной очевидностью можно констатировать, что коррозионные повреждения на теплосетях распределяются неравномерно и имеют преимущественно локальный характер. Повреждения происходят на участках как постоянного, так и периодического увлажнения теплоизоляции. Совершенно очевидно, что в этих случаях при наличии контакта изоляционной конструкции с окружающим грунтом возможно протекание коррозионного процесса как в результате воздействия коррозионной среды на поверхность металла, так и под воздействием блуждающих токов стекающих с трубопровода в грунт через увлажненную теплоизоляцию.

При этом следует иметь в виду, что при нарушении гармонизации конструкции теплоизоляции (включая ее структурный состав материала) коррозионная опасность тепловым сетям может возникать и со стороны самой теплоизоляции, создающей условия для интенсификации коррозионных процессов при ее внешнем увлажнении.

2. Методы защиты наружной поверхности подземных теплопроводов от коррозии

Как уже было отмечено выше, изоляционное покрытие само по себе не может обеспечить достаточную защиту теплопроводов от подземной коррозии, которая является электрохимическим процессом и может быть надежно заторможена только электрохимической защитой. Поэтому все действующие нормативные документы, регламентирующие коррозионную безопасность тепловых сетей, требуют применения комплексной противокоррозионной защиты, в которой энергетические возможности установок электрохимической защиты гармонически сочетаются с электро-физическими характеристиками (переходным сопротивлением и долговечностью) конструкций изоляционных покрытий. Исходя из этого постулата, все существующие меры защиты теплосетей от подземной коррозии делятся на две основные группы. К первой группе относятся мероприятия, имеющие целью: ¦изоляцию поверхности трубопроводной сети от коррозионной окружающей среды;

¦ограничение увлажнения как окружающей среды, так и конструкции изоляционного покрытия (включая, в первую очередь, теплоизоляционный слой);

¦ограничение возможности воздействия (натекания или индуктивного влияния) блуждающих токов на теплопровод.

Эти мероприятия обычно предусматривают на стадиях проектирования и реализуют различными техническими решениями. Ограничение увлажнения окружающей теплопровод среды предусматривается главным образом путем рационального выбора трассы прокладки, устройства дренажа грунтовых, паводковых или ливневых вод, прокладкой теплотрасс в коллекторах, планировкой поверхности над трассой теплопровода.

Наиболее эффективными мерами, ограничивающими величину блуждающих токов в теплопроводах, являются увеличение переходного сопротивления между теплопроводом и окружающей средой, а также продольного электрического сопротивления самого теплопровода. При укладке теплотрассы непосредственно в грунт величина переходного сопротивления определяется главным образом качеством изоляционного покрытия, а при прокладке в каналах - наличием различного рода сосредоточенных защитных заземлений. Увеличение переходного сопротивления может быть также достигнуто применением специальных диэлектрических прокладок в местах контакта теплопровода с опорными конструкциями (например, при канальной прокладке теплопроводов).

Общая величина продольного сопротивления теплопровода может быть значительно повышена путем его секционирования на участки, электрически разъединенные между собой с помощью специальных изоляционных стыков или изолирующих фланцев. Установка таких устройств наиболее эффективна на участках входа теплотрасс на объекты источников блуждающих токов (тяговые подстанции, депо, ремонтные мастерские и т.п.). Особо следует обратить внимание на ограничение индукционного влияния источников блуждающих переменных токов. Обычно к таким объектам относят лишь линии электропередачи, расположенные на столбах и опорах на высоте не менее 20 метров над поверхностью земли. Однако в последние годы все более широкое применение получает кабельное энергоснабжение, при котором кабель напряжением до 10 КВ находится в земле на глубине 4080 см. При этом не менее, чем в 40 раз сокращается расстояние между источником индукционного влияния и заземленным теплопроводом. И более, чем на 3 порядка возрастает степень индукционного влияния приближенного к теплопроводу источника переменного блуждающего тока. Впервые такой случай имел место в районе Выборга, где кабель напряжением 10 КВ пересек трассу бесканального теплопровода в сотне метров от точки дренажа действовавшей катодной станции. Через 5-6 месяцев после прокладки кабеля на обеих трубах теплотрассы возникли множественные сквозные коррозионные повреждения. В порядке мер по снижению влияния блуждающих токов служба эксплуатации теплосети провела ремонт поврежденного участка, уложив на нем новую трехтрубную секцию с заводской изоляцией с переходным сопротивлением 100 КОМ.м2. Четыре месяца спустя в том же месте появилась новая течь, последовательно - сначала на одной, а затем и на другой трубах. Дальнейший анализ этой нестандартной ситуации был поручен специалистам ВНИИСТА. Проведя комплекс различных электрических измерений, они выяснили истинную природу этого необычного по тем временам явления и квалифицировали кинетику механизма его протекания. Первоначально индукционное влияние кабеля на участок теплотрассы со старой изоляцией был существенно ослаблен этим обстоятельством. Кроме того наличие значительных по площади мест износа изоляционного покрытия приводило к снижению плотности индуцированного тока разряда в землю, что снижало общую скорость коррозионного повреждения стенок труб. Однако после замены поврежденного участка и установки новой изоляции высокого сопротивления с наноплощадью несплошности микропор новой изоляции картина резко изменилась. Во-первых, значительно возросла величина индуцированного в теплопроводе тока, а во-вторых, в еще большей степени увеличилась плотность тока его разряда в землю через микропоры нового изоляционного покрытия. В результате игольчатые сквозные повреждения образовались в том же месте, но вдвое быстрее.

Описанный случай является убедительным подтверждением необходимости реализации второй группы мероприятий по обеспечению электрохимической защиты, завершающей обязательный комплекс мер защиты теплопроводов от подземной коррозии. Электрохимическая защита может эффективно осуществляться при помощи: установок катодной защиты с различными конструкциями токоотдающих анодных заземлений;

установок электродренажной защиты от блуждающих токов различного происхождения;

протекторных установок из гальванических анодов с различной величиной действующей ЭДС.

Технология реализации перечисленных видов электрохимической защиты достаточно подробно изложена во многих нормативных документах и справочных материалах. Однако следует напомнить ряд специфических моментов, осложняющих их использование. Эксплуатационные и, главным образом, конструктивные особенности теплопроводов не позволяют во многих случаях механически переносить нормативные технические решения на любой объект. Поскольку прокладка теплопроводов делится на: ¦прокладки без воздушного зазора между изоляционной конструкцией и окружающей средой, при которых почти на всем протяжении теплопровода (за исключением участков поворота теплотрассы и входа в камеры) возникает контакт между изоляционной конструкцией и окружающим грунтом или стенками канала;

¦прокладки с воздушным зазором между изоляционной конструкцией и стенками канала, к которым относятся все виды прокладок с подвесной теплоизоляционной конструкцией.

Очевидно, что способы катодной поляризации, применяемые при осуществлении электрохимической защиты сооружений, непосредственно укладываемых в грунт, не в полной мере пригодны для использования на теплопроводах, не имеющих воздушного зазора между изоляционной конструкцией и окружающей средой. При этом наиболее сложным является вопрос защиты теплопроводов, прокладываемых в каналах с воздушным зазором между изоляционным покрытием и стенками канала.

Изза наличия воздушного зазора между изоляционной конструкцией и окружающей средой стандартные существующие способы катодной поляризации не могут быть применимы. Изыскания путей электрохимической защиты в этом случае привели к разработке технического решения, в котором катодная поляризация теплопровода осуществляется катодными станциями, аноды которых располагаются либо на поверхности, либо в толще конструкции покрытия. Академией Коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова предложено использовать в таком техническом решении стальную плетеную сетку, размещенную между периферийными слоями изоляционной конструкции. Такая сетка, выполняющая также роль арматуры для остальных слоев изоляционной конструкции, охватывает всю поверхность теплоизоляции ячейками размером 15-25 мм, что позволяет обеспечивать равномерную токоотдачу по всей защищаемой поверхности труб. Технология монтажа сетки, работающей как распределенный анод, была отработана последовательно на трех участках теплосети Мосэнерго общей протяженностью 1000 м диаметром 300, 500 и 800 мм. Основная задача при этом состояла в подготовке армирующей сетки как распределенного анода и принятия мер в процессе монтажа изоляционной конструкции по предотвращению возможности короткого замыкания между сеткой и трубой. Как показал данный практический опыт, подготовка армирующей сетки для использования ее в качестве распределенного анода требует выполнения ряда специальных технологических операций, направленных не только на предотвращение возможности короткого замыкания между сеткой и трубой, но и на обеспечение необходимой продольной проводимости сеточного анода.

Другое техническое решение было позднее предложено ВНИИСТОМ для условий канальной «подвесной» прокладки при отсутствии полной герметизации канала. В этом случае периодически возникала ситуация, когда в канал могла попадать грунтовая влага, особенно в период таяния снегов. Этот период становился особенно опасным в коррозионном отношении. Для предупреждения неблагоприятной ситуации было предложено использовать двухслойный протяженный гибкий анод, проложив его в канале рядом с теплопроводами (на тех же опорных подвесках). В этом случае внешняя влага, попавшая в полость канала, одновременно оказывала коррозионное воздействие на трубы и автоматически замыкала цепь токоотдачи между протяженным гибким анодом и этими трубами, обеспечивая их катодную защиту от ранее вызванного коррозионного влияния. Управление такой саморегулируемой системой катодной защиты осуществлялось за счет правильного расчетного выбора электрических характеристик двухслойного протяженного гибкого анода: переходного сопротивления вторичного слоя, диаметра центрального токоведущего сердечника, волнового сопротивления анода и коэффициента распространения токоотдачи по длине анода.

3. Проектирование противокоррозионной защиты теплопроводов

Практическое осуществление противокоррозионной защиты подземных теплопроводов является одной из сложных инженерных задач.

Особенные затруднения обычно происходят при разработке проектов защиты этих сооружений от подземной коррозии. Главным образом трудности начинаются на стадии отработки проектного технического решения. Практический опыт ЗАО ВНИИСТ в такой отработке дает все основания утверждать, что для сложных конструкционных вариантов тепловых сетей недопустимо использование типовых технических решений. Для каждой конструкции необходим индивидуальный проектный подход, достоверно обоснованный соответствующими расчетами предлагаемой системы противокоррозионной защиты.

Проблема оперативного индивидуального проектирования противокоррозионной защиты теплопроводов может быть решена путем применения аналитических методов расчета или с использованием сертифицированных (включенных в Государственный Реестр компьютерных программ РФ) программных продуктов, предусматривающих автоматизированное проектирование отдельных элементов и узлов защитных установок. Такие расчеты и программные продукты (например, Программа расчета протяженных гибких анодов № 2012610774 в Государственном Реестре РФ) позволяют репрезентативно оценить степень опасности коррозии (предельную величину скорости свободной коррозии без применения защитных мероприятий), рассчитать требуемую при этом степень защиты, определить оптимальную расстановку (коммутацию) средств электрохимической защиты и рекомендовать их рабочие режимы эксплуатации. теплопровод коррозионный армопенобетонный

Трассы теплопроводов в городских условиях расположены в теснейшем соседстве со многими другими подземными коммуникациями, которые могут оказывать значительное влияние на работу электрохимической защиты этих трасс. Подземное хозяйство городов представляет собой сложную и многообразную по видам сооружений сеть металлического трубопроводного транспорта. Любой городской район в большом объеме насыщен такими подземными металлическими сооружениями, как газовые и водопроводные сети, мощные водоводы, кабели электроснабжения и связи и сами сети теплоснабжения. В этих условиях Академия Коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова в течение значительного периода времени испытывала метод проектирования, основанный на экспериментальном опробовании средств электрохимической защиты, предполагаемых к использованию при проектировании, в натурных условиях, т.е. на реальном объекте или его естественной натурной физической модели. Однако, несмотря на отдельные успешные результаты, этот метод не получил окончательного практического одобрения. Основными причинами такого исхода послужили два обстоятельства.

Первое из них заключается в необходимости сложнейшей предподготовки при создании адекватной модели реального объекта, отвечающей всем требованиям теории подобия и теории моделирования, начиная с обоснования соответствующих критериев подобия, физического и электрохимического. Второе заключается в очень большой трудоемкости выполнения всех технологических операций по реализации спроектированной модели в реальное устройство. Неизбежные неточности и ошибки на первой стадии такой методики проектирования часто приводили к существенным ошибкам при воплощении результатов моделирования на реальных объектах. Такие ошибки не менее часто дискредитировали результаты второй стадии опытного проектирования, особенно при ограничениях объемов опытных проработок предлагаемых технических решений, требующих значительных трудозатрат. Неприемлемость метода опытного проектирования для электрохимической защиты теплотрасс окончательно была установлена как на электрической сеточной модели АКХ им. К.Д. Памфилова, так и концептуально аналогичной электролитической модели ВНИИСТ.

Порядок выполнения работ по расчетным методам проектирования защитных мероприятий на теплопроводах различен для вновь прокладываемых сооружений (первичное проектирование) и для действующих объектов (проектирование по реконструкции). В первом случае проектирование электрохимической защиты следует осуществлять в две стадии, а во втором - в одну. При первичном проектировании на первой стадии предусматривается общий комплекс защитных мероприятий: обоснованный выбор тепловой и противокоррозионной изоляции, меры по предупреждению влияния блуждающих токов, система контрольно-измерительной аппаратуры и т.п. Кроме того, на том же этапе обоснованно рассчитывают потребность в установках электрохимической защиты и определяют источники их энергоснабжения (включая определение оптимальных координат коммутации этих установок и источников). Вторая стадия проектирования осуществляется сразу же после укладки теплопроводов и выполняется в случаях прохождения трасс в зонах опасного влияния блуждающих токов, а также при прохождении трасс теплопроводов в грунтах повышенной, высокой и весьма высокой коррозионной агрессивности.

При проектировании электрохимической защиты по реконструкции, а также при осуществлении первичной противокоррозионной защиты теплопроводов, прокладываемых в каналах с воздушным зазором, проектные работы могут выполняться в одну стадию. Возможность такой организации проектных работ обусловлена тем, что степень коррозионной опасности влияния блуждающих токов при этих условиях определена сразу же на первой стадии проектирования. В случае повторного проектирования имеется необходимая эксплуатационная информация о коррозионной ситуации на реконструируемом участке теплопровода, а при воздушном зазоре в канале опасность влияния блуждающих токов может возникать лишь при стохастических условиях нештатного нарушения условий существования воздушного зазора.

Эффективность действия электрохимической защиты во многом зависит от хорошей продольной проводимости теплотрасс. Для гарантированного обеспечения этого условия в проектах обычно предусматривают периодическую установку продольных перемычек. Такие перемычки чаще всего монтируют на стыках технологической арматуры, сальниковых компенсаторах и иных аналогичных местах теплопроводов. Кроме того аналогичные поперечные перемычки устанавливают обычно в камерах с интервалом не более 200 метров для создания единой системы защищаемых трубопроводов всей теплотрассы.

Для теплопроводов бесканальной прокладки, а также прокладываемых в каналах без воздушного зазора, проектирование электрохимической защиты выполняют также в одну стадию, соответствующую этапу завершения строительства самих теплопроводов. При этом такому этапу может предшествовать расчетная часть с предварительным анализом потенциально ожидаемых технических решений, выполненным с использованием соответствующей компьютерной программы проектирования электрохимической защиты линейных участков подземных трубопроводов общего назначения. Окончательным исходным материалом для проектирования в этом случае являются данные опытных включений различных средств защиты на уложенном теплопроводе. Опытное включение средств электрозащиты значительно ускоряется и облегчается при использовании специальных передвижных коррозионных лабораторий, оборудованных в автомашинах. Такие лаборатории оснащены специальной аппаратурой, при помощи которой проводятся испытания различных видов электрохимической защиты. В периоды опытного включения электрохимической защиты оценку эффективности ее действия осуществляют по результатам измерений потенциалов на теплосети в пределах коррозионно-опасных зон (зон анодного состояния трубопроводов теплосети). Продолжительность опытного включения электрохимической защиты устанавливают в конкретных условиях, исходя из коррозионной ситуации на трассе теплопровода. Обычно этот срок составляет от нескольких десятков минут до одного часа. При проведении опытных испытаний предполагаемой для проектирования электрохимической защиты необходимо контролировать, чтобы она не оказывала вредного влияния на соседние подземные металлические сооружения. Вредным влиянием является снижение защитного потенциала на соседних сооружениях, имеющих электрохимическую защиту, более, чем на 100 МВ по абсолютной величине, превышение защитным потенциалом на соседних сооружениях предельно допустимых максимальных (по абсолютной величине) значений, а также появление опасности коррозионного разрушения соседних сооружений, ранее не требовавших защиты от подземной (или иной) коррозии.

В большинстве случаев при опытном включении электрохимической защиты определяют лишь основной ее параметр - предельно необходимое на стадии эксплуатации значение тока защиты единичной защитной установки. Остальные параметры уточняют на стадии проектирования расчетным путем или путем подбора соответствующих номинальных значений параметров защитных устройств из нормального ряда промышленно выпускаемого защитного оборудования. При этом все последующие расчеты выполняют, исходя из величины тока, установленной при опытном включении.

Размещено на .ru