Коррозия и эрозия в котлах среднего и низкого давления со стороны топки. Коррозионные повреждения экранных труб газомазутных котлов а) Кислородная коррозия

В судовых паровых котлах коррозия может протекать как со стороны пароводяного контура, так и со стороны продуктов сгорания топлива.

Внутренние поверхности пароводяного контура могут подвергаться следующим видам коррозии;

Кислородная коррозия - является наиболее опасным видом коррозии. Характерной особенностью кислородной коррозии является образование местных точечных очагов коррозии, доходящих до глубоких язвин и сквозных дыр; Наиболее подвержены кислородной коррозии входные участки экономайзеров, коллекторы и опускные трубы циркуляционных контуров.

Нитритная коррозия - в отличие от кислородной поражает внутренние поверхности теплонапряженных подъемных трубок и вызывает образование более глубоких язвин диаметром 15 ^ 20 мм.

Межкристаллитная коррозия является особым видом коррозии и возникает в местах наибольших напряжений металла (сварные швы, вальцовочные и фланцевые соединения) в результате взаимодействия котельного металла с высококонцентрированной щелочью. Характерной особенностью является появление на поверхности металла сетки из мелких трещин, постепенно развивающихся в сквозные трещины;

Подшламоеая коррозия возникает в местах отложения шлама и в застойных зонах циркуляционных контуров котлов. Процесс протекания носит электрохимический характер при контакте окислов железа с металлом.

Со стороны продуктов сгорания топлива могут наблюдаться следующие виды коррозии;

Газовая коррозия поражает испарительные, перегревательные и экономайзерные поверхности нагрева, обшивку кожуха,

Газонаправляющие щиты и другие элементы котла, подвергающиеся воздействию высоких температур газов.. При повышении температуры металла котельных труб свыше 530 0С (для углеродистой стали) начинается разрушение защитной оксидной пленки на поверхности труб, обеспечивая беспрепятственный доступ кислорода к чистому металлу. При этом на поверхности труб происходит коррозия с образованием окалины.

Непосредственной причиной этого вида коррозии является нарушение режима охлаждения указанных элементов и повышение их температуры выше допустимой. Для труб поверхностей нагрева причинами повЫш Ения температуры стенок могут быть; образование значительного слоя накипи, нарушения режима циркуляции (застой, опрокидывание, образование паровых пробок), упуск воды из котла, неравномерность раздачи воды и отбора пара по длине парового коллектора.

Высокотемпературная (ванадиевая) коррозия поражает поверхности нагрева пароперегревателей, расположенные в зоне высоких температур газов. При сжигании топлива происходит образование окислов ванадия. При этом при недостатке кислорода образуется трехокись ванадия, а при его избытке - пятиокись ванадия. Коррозионно-опасной является пятиокись ванадия У205, имеющая температуру плавления 675 0С. Пятиокись ванадия, выделяющаяся при сжигании мазутов, налипает на поверхности нагрева, имеющие высокую температуру, и вызывает активное разрушение металла. Опыты показали, что даже такие содержания ванадия, как 0,005 % по весовому составу могут вызвать опасную коррозию.

Ванадиевую коррозию можно предотвратить снижением допустимой температуры металла элементов котла и организацией горения с минимальными коэффициентами избытка воздуха а = 1,03 + 1,04.

Низкотемпературная (кислотная) коррозия поражает в основном хвостовые поверхности нагрева. В продуктах сгорания сернистых мазутов всегда присутствуют пары воды и соединения серы, образующие при соединении друг с другом серную кислоту. При омывании газами относительно холодных хвостовых поверхностей нагрева пары серной кислоты конденсируется на них и вызывают коррозию металла. Интенсивность низкотемпературной коррозии зависит от концентрации серной кислоты в пленке влаги, оседающей на поверхностях нагрева. При этом концентрация Б03 в продуктах сгорания определяется не только содержанием серы в топливе. Основными факторами, влияющими на скорость протекания низкотемпературной коррозии, являются;

Условия протекания реакции горения в топке. При повышении коэффициента избытка воздуха увеличивается процентное содержание газа Б03 (при а = 1,15 окисляется 3,6 % серы, содержащейся в топливе; при а = 1,7 окисляется около 7 % серы). При коэффициентах избытка воздуха а = 1,03 - 1,04 серного ангидрида Б03 практически не образуется;

Состояние поверхностей нагрева;

Питание котла слишком холодной водой, вызывающей понижение температуры стенок труб экономайзера ниже тоски росы для серной кислоты;

Концентрация воды в топливе; при сжигании обводненных топлив точка росы повышается вследствие повышения парциального давления водяных паров в продуктах сгорания.

Стояночная коррозия поражает внешние поверхности труб и коллекторов, обшивку, топочные устройства, арматуру и другие элементы газовоздушного тракта котла. Сажа, образующаяся при сжигании топлива, покрывает поверхности нагрева и внутренние части газовоздушного тракта котла. Сажа гигроскопична, и при остывании котла легко впитывает влагу, вызывающую коррозию. Коррозия носит язвенный характер при образовании на поверхности металла пленки раствора серной кислоты при остывании котла и снижении температуры его элементов ниже точки росы для серной кислоты.

Борьба со стояночной коррозией основана на создании условий, исключающих попадание влаги на поверхности котельного металла, а также нанесением антикоррозионных покрытий на поверхности элементов котлов.

При кратковременном бездействии котлов после осмотра и чистки поверхностей нагрева с целью предотвращения попадания атмосферных осадков в газоходы котлов на дымовую трубу необходимо одевать чехол, закрывать воздушные регистры, смотровые отверстия. Необходимо постоянно контролировать влажность и температуру в МКО.

Для предотвращения коррозии котлов во время бездействия используются различные способы хранения котлов. Различают два способа хранения; мокрое и сухое.

Основным способом хранения котлов является мокрое хранение. Оно предусматривает полное заполнение котла питательной водой, пропущенной через электроно-ионообменные и обескислораживающие фильтры, включая пароперегреватель и экономайзер. Держать котлы на мокром хранении можно не более 30 суток. В случае более длительного бездействия котлов применяется сухое хранение котла.

Сухое хранение предусматривает полное осушение котла от воды с размещением в коллекторах котла бязевых мешочков с селикагелем, поглощающим влагу. Периодически производится вскрытие коллекторов, контрольный замер массы селикагеля с целью определения массы поглощенной влаги, и выпаривание поглощенной влаги из селикагеля.

Коррозионные явления в котлах чаще всего проявляются на внутренней теплонапряженной поверхности и сравнительно реже - на наружной.

В последнем случае разрушение металла обусловлено - в большинстве случаев - совместным действием коррозии и эрозии, которая иногда имеет преобладающее значение.
Внешний признак эрозионного разрушения - чистая поверхность металла. При коррозионном же воздействии продукты коррозии обычно сохраняются на его поверхности.
Внутренние (в водной среде) коррозионные и накипные процессы могут усугублять наружную коррозию (в газовой среде) из-за теплового сопротивления слоя накипных и коррозионных отложений, и, следовательно, роста температуры на поверхности металла.
Наружная коррозия металла (со стороны топки котла) зависит от разных факторов, но, прежде всего, - от вида и состава сжигаемого топлива.

Коррозия газо-мазутных котлов
В мазуте содержатся органические соединения ванадия и натрия. Если на стенке трубы, обращенной в топку, накапливаются расплавленные отложения шлака, содержащего соединения ванадия (V), то при большом избытке воздуха и/или температуре поверхности металла 520-880 оС происходят реакции:
4Fe + 3V2O5 = 2Fe2O3 + 3V2O3 (1)
V2O3 + O2 = V2O5 (2)
Fe2O3 + V2O5 = 2FeVO4 (3)
7Fe + 8FeVO4 = 5Fe3О4 + 4V2O3 (4)
(Соединения натрия) + О2 = Na2O (5)
Возможен и другой механизм коррозии с участием ванадия (жидкая эвтектическая смесь):
2Na2O . V2O4 . 5V2O5 + O2 = 2Na2O . 6V2O5 (6)
Na2O . 6V2O5 + М = Na2O . V2O4 . 5V2O5 + MO (7)
(М - металл)
Соединения ванадия и натрия при сгорании топлива окисляются до V2O5 и Na2O. В отложениях, прилипающих к поверхности металла, Na2O - связующее. Жидкость, образующаяся в результате реакций (1)-(7), расплавляет защитную пленку магнетита (Fe3O4), что приводит к окислению металла под отложениями (температура расплавления отложений (шлака) - 590-880 оС).
В результате указанных процессов стенки экранных труб, обращенных к топке, равномерно утончаются.
Росту температуры металла, при которой соединения ванадия становятся жидкими, способствуют внутренние накипные отложения в трубах. И, таким образом, при достижении температуры предела текучести металла возникает разрыв трубы - следствие совместного действия внешних и внутренних отложений.
Корродируют и детали крепления трубных экранов, а также выступы сварных швов труб - рост температуры на их поверхности ускоряется: они не охлаждаются пароводяной смесью, как трубы.
Мазут может содержать серу (2,0-3,5 %) в виде органических соединений, элементарной серы, сульфата натрия (Na2SO4), попадающего в нефть из пластовых вод. На поверхности металла в таких условиях ванадиевая коррозия сопровождается сульфидно-оксидной. Их совместное действие в наибольшей степени проявляется, когда в отложениях присутствуют 87 % V2O5 и 13 % Na2SO4, что соответствует содержанию в мазуте ванадия и натрия в соотношении 13/1.
Зимой при разогреве мазута паром в емкостях (для облегчения слива) в него дополнительно попадает вода в количестве 0,5-5,0 %. Следствие: увеличивается количество отложений на низкотемпературных поверхностях котла, и, очевидно, растет коррозия мазутопроводов и мазутных емкостей.

Кроме описанной выше схемы разрушения экранных труб котлов, коррозия пароперегревателей, труб фестонов, кипятильных пучков, экономайзеров имеет некоторые особенности из-за повышенных - в некоторых сечениях - скоростей газов, особенно содержащих несгоревшие частицы мазута и отслоившиеся частицы шлака.

Идентификация коррозии
Наружная поверхность труб покрыта плотным эмалевидным слоем отложений серого и темно-серого цвета. На стороне, обращенной в топку, - утончение трубы: плоские участки и неглубокие трещинки в виде «рисок» хорошо видны, если очистить поверхность от отложений и оксидных пленок.
Если труба аварийно разрушена, то видна сквозная продольная неширокая трещина.

Коррозия пылеугольных котлов
В коррозии, образуемой действием продуктов сжигания углей, определяющее значение имеют сера и ее соединения. Кроме того, на течение коррозионных процессов влияют хлориды (в основном NaCl) и соединения щелочных металлов. Наиболее вероятна коррозия при содержании в угле более 3,5 % серы и 0,25 % хлора.
Летучая зола, содержащая щелочные соединения и оксиды серы, отлагается на поверхности металла при температуре 560-730 оС. При этом в результате происходящих реакций образуются щелочные сульфаты, например K3Fe(SO4)3 и Na3Fe(SO4)3. Этот расплавленный шлак, в свою очередь, разрушает (расплавляет) защитный оксидный слой на металле - магнетит (Fe3O4).
Скорость коррозии максимальна при температуре металла 680-730 оС, при ее увеличении скорость уменьшается из-за термического разложения коррозионных веществ.
Наибольшая коррозия - в выходных трубах пароперегревателя, где наиболее высокая температура пара.

Идентификация коррозии
На экранных трубах можно наблюдать плоские участки с обеих сторон трубы, подвергающихся коррозионному разрушению. Эти участки расположены под углом друг к другу 30-45 оС и покрыты слоем отложений. Между ними - сравнительно «чистый» участок, подвергающийся «лобовому» воздействию газового потока.
Отложения состоят из трех слоев: внешний - пористая летучая зола, промежуточный слой - белесые водорастворимые щелочные сульфаты, внутренний слой - блестящие черные оксиды железа (Fe3O4) и сульфиды (FeS).
На низкотемпературных частях котлов - экономайзер, воздухоподогреватель, вытяжной вентилятор - температура металла падает ниже «точки росы» серной кислоты.
При сжигании твердого топлива температура газов уменьшается от 1650 оС в факеле до 120 оС и менее в дымовой трубе.
Из-за охлаждения газов образуется серная кислота в паровой фазе, и при контакте с более холодной поверхностью металла пары конденсируются с образованием жидкой серной кислоты. «Точка росы» серной кислоты - 115-170 оС (может быть и больше - зависит от содержания в газовом потоке паров воды и оксида серы (SO3)).
Процесс описывается реакциями:
S + O2 = SO2 (8)
SO3 + H2O = H2SO4 (9)
H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2 (10)
В присутствии оксидов железа и ванадия возможно каталитическое окисление SO3:
2SO2 + O2 = 2SO3 (11)
В некоторых случаях сернокислотная коррозия при сжигании каменного угля менее значима, чем при сжигании бурого, сланца, торфа и даже природного газа - из-за относительно большего выделения водяного пара из них.

Идентификация коррозии
Этот вид коррозии вызывает равномерное разрушение металла. Обычно поверхность шероховатая, с небольшим налетом ржавчины, и похожа на поверхность без коррозионных явлений. При длительном воздействии металл может быть покрыт отложениями продуктов коррозии, которые нужно осторожно снять при обследовании.

Коррозия во время перерывов в эксплуатации
Этот вид коррозии проявляется на экономайзере и в тех местах котла, где наружные поверхности покрыты соединениями серы. При остывании котла температура металла падает ниже «точки росы» и, как описано выше, если есть сернистые отложения, образуется серная кислота. Возможно промежуточное соединение - сернистая кислота (H2SO3), но она очень нестойкая и сразу превращается в серную кислоту.

Идентификация коррозии
Поверхности металла обычно покрыты нанесениями. Если их удалить, то обнаружатся участки разрушения металла, где были сернистые отложения и участки некорродированного металла. Такой внешний вид отличает коррозию на остановленном котле от вышеописанной коррозии металла экономайзера и других «холодных» частей работающего котла.
При обмывке котла коррозионные явления распределены более или менее равномерно по металлической поверхности из-за размывания сернистых отложений и недостаточной осушке поверхностей. При недостаточной обмывке коррозия локализована там, где были сернистые соединения.

Эрозия металла
Эрозийному разрушению металла при определенных условиях подвергаются разные системы котла как с внутренней, так и с наружной стороны обогреваемого металла, и там, где возникают турбулентные потоки с большой скоростью.
Ниже рассматривается только эрозия турбин.
Турбины подвергаются эрозии от ударов твердых частиц и капелек конденсата пара. Твердые частицы (оксиды) отслаиваются от внутренней поверхности пароперегревателей и паропроводов, особенно в условиях переходных тепловых процессов.

Капельки конденсата пара в основном разрушают поверхности лопаток последней ступени турбины и дренажные трубопроводы. Возможно эрозионно-коррозионное воздействие конденсата пара, если конденсат «кислый» - рН ниже пяти единиц. Коррозия также имеет опасный характер при наличии в водяных капельках пара хлоридов (до 12 % от массы отложений) и едкого натра.

Идентификация эрозии
Разрушение металла от ударов капель конденсата наиболее заметно на передних кромках лопаток турбин. Кромки покрыты тонкими поперечными зубцами и канавками (бороздками), могут быть наклонные конические выступы, направленные в сторону ударов. Выступы есть на передних кромках лопаток и почти отсутствуют на их задних плоскостях.
Повреждения от твердых частиц имеют вид разрывов, микровмятин и зазубрин на передних кромках лопаток. Бороздки и наклонные конусы отсутствуют.

Владельцы патента RU 2503747:

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эксплуатация паровых котлов связана с одновременным воздействием высоких температур, давления, механических напряжений и агрессивной среды, которой является котловая вода. Котловая вода и металл поверхностей нагрева котла представляют собой отдельные фазы сложной системы, которая образуется при их контакте. Итогом взаимодействия этих фаз являются поверхностные процессы, возникающие на границе их раздела. В результате этого в металле поверхностей нагрева возникают явления коррозии и образования накипи, что приводит к изменению структуры и механических свойств металла, и что способствует развитию различных повреждений. Поскольку теплопроводность накипи в пятьдесят раз ниже, чем у железа нагревательных труб, то имеют место потери тепловой энергии при теплопередаче - при толщине накипи 1 мм от 7 до 12%, а при 3 мм - 25%. Сильное образование накипи в системе парового котла непрерывного действия часто приводит к остановке производства на несколько дней в году для удаления накипи.

Качество питательной и, следовательно, котловой воды определяется присутствием примесей, которые могут вызывать различные виды коррозии металла внутренних поверхностей нагрева, образования первичной накипи на них, а также шлама, как источника образования вторичной накипи. Кроме того, качество котловой воды зависит и от свойств веществ, образующихся в результате поверхностных явлений при транспортировке воды, и конденсата по трубопроводам, в процессах водообработки. Удаление примесей из питательной воды является одним из способов предотвращения образования накипи и коррозии и осуществляется методами предварительной (докотловой) обработки воды, которые направлены на максимальное удаление примесей, находящихся в исходной воде. Однако применяемые методы не позволяют полностью исключить содержание примесей в воде, что связано не только с трудностями технического характера, но и экономической целесообразностью применения методов докотловой обработки воды. Кроме того, поскольку водоподготовка представляет сложную техническую систему, она является избыточной для котлов малой и средней производительности.

Известные методы удаления уже образовавшихся отложений используют в основном механические и химические способы очистки. Недостатком этих способов является то, что они не могут производиться в ходе эксплуатации котлов. Кроме того, способы химической очистки часто требуют использования дорогостоящих химических веществ.

Известны также способы предотвращения образования накипи и коррозии, осуществляемые в процессе работы котлов.

В патенте US 1877389 предложен способ удаления накипи и предотвращения ее образования в водогрейных и паровых котлах. В этом способе поверхность котла представляет собой катод, а анод размещен внутри трубопровода. Способ заключается в пропускании постоянного или переменного тока через систему. Авторы отмечают, что механизм действия способа заключается в том, что под действием электрического тока на поверхности котла образуются пузырьки газа, которые приводят к отслоению существующей накипи и препятствуют образованию новой. Недостатком указанного способа является необходимость постоянно поддерживать протекание электрического тока в системе.

В патенте US 5667677 предложен способ обработки жидкости, в частности воды, в трубопроводе с целью замедления образования накипи. Указанный способ основан на создании в трубах электромагнитного поля, которое отталкивает растворенные в воде ионы кальция, магния от стенок труб и оборудования, не давая им кристаллизоваться в виде накипи, что позволяет эксплуатировать котлы, бойлеры, теплообменники, системы охлаждения на жесткой воде. Недостатком указанного способа является дороговизна и сложность используемого оборудования.

В заявке WO 2004016833 предложен способ уменьшения образования накипи на металлической поверхности, подвергающейся воздействию пересыщенного щелочного водного раствора, из которого способна образовываться накипь после периода воздействия, включающий приложение катодного потенциала к указанной поверхности.

Указанный способ может использоваться в различных технологических процессах, в которых металл находится в контакте с водным раствором, в частности, в теплообменниках. Недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает защиту металлической поверхности от коррозии после снятия катодного потенциала.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в разработке улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб, водогрейных и паровых котлов, который был бы экономичным и высокоэффективным и обеспечивал антикоррозионную защиту поверхности в течение длительного промежутка времени после воздействия.

В настоящем изобретении указанная задача решена с помощью способа, согласно которому на металлической поверхности создается токоотводящий электрический потенциал, достаточный для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа предотвращения образования накипи нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности исключения или значительного уменьшения необходимости удаления накипи в процессе эксплуатации водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является исключение необходимости использования расходных реагентов для предотвращения образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности начала работы по предотвращению образования накипи и коррозии нагревательных труб водогрейных и паровых котлов на загрязненных трубах котла.

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования накипи и коррозии на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь. Указанный способ заключается в приложении к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов к металлической поверхности.

Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа токоотводящий потенциал устанавливают в пределах 61-150 В. Согласно некоторым частным вариантам реализации заявленного способа вышеуказанный железосодержащий сплав представляет собой сталь. В некоторых вариантах реализации металлическая поверхность представляет собой внутреннюю поверхность нагревательных труб водогрейного или парового котла.

Раскрытый в данном описании способ имеет следующие преимущества. Одним преимуществом способа является уменьшенное образование накипи. Другим преимуществом настоящего изобретения является возможность использования однажды закупленного работающего электрофизического аппарата без необходимости использования расходных синтетических реагентов. Еще одним преимуществом является возможность начала работы на загрязненных трубках котла.

Техническим результатом настоящего изобретения, таким образом, является повышение эффективности работы водогрейных и паровых котлов, повышение производительности, увеличение эффективности теплопередачи, снижение расходов топлива на нагрев котла, экономия энергии и пр.

Другие технические результаты и преимущества настоящего изобретения включают обеспечение возможности послойного разрушения и удаления уже образовавшейся накипи, а также предотвращения ее нового образования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показан характер распределения отложений на внутренних поверхностях котла в результате применения способа согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ согласно настоящему изобретению заключается в приложении к металлической поверхности, подверженной образованию накипи, токоотводящего электрического потенциала, достаточного для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии коллоидных частиц и ионов, образующих накипь, к металлической поверхности.

Термин «токоотводящий электрический потенциал» в том смысле, в каком он используется в данной заявке, означает переменный потенциал, нейтрализующий двойной электрический слой на границе металла и пароводяной среды, содержащей соли, приводящие к образованию накипи.

Как известно специалисту в данной области техники, носителями электрического заряда в металле, медленными по сравнению с основными носителями заряда -электронами, являются дислокации его кристаллической структуры, которые несут на себе электрический заряд и образуют дислокационные токи. Выходя на поверхность нагревательных труб котла, эти токи входят в состав двойного электрического слоя при образовании накипи. Токоотводящий, электрический, пульсирующий (то есть переменный) потенциал инициирует отведение электрического заряда дислокаций с поверхности металла на землю. В этом отношении он является токоотводящим дислокационные токи. В результате действия этого токоотводящего электрического потенциала двойной электрический слой разрушается, и накипь постепенно распадается и переходит в котельную воду в виде шлама, который удаляется из котла при периодических его продувках.

Таким образом, термин «токоотводящий потенциал» понятен для специалиста в данной области техники и, кроме того, известен из уровня техники (см., например, патент RU 2128804 С1).

В качестве устройства для создания токоотводящего электрического потенциала может, например, быть использовано устройство, описанное в RU 2100492 С1, которое включает в себя конвертер с частотным преобразователем и регулятором пульсирующего потенциала, а также регулятор формы импульсов. Подробное описание этого устройства дано в RU 2100492 С1. Также может быть использовано любое другое аналогичное устройство, как будет понятно специалисту в данной области техники.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен к любой части металлической поверхности, удаленной от основания котла. Место приложения определяется удобством и/или эффективностью применения заявленного способа. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании, и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное место приложения токоотводящего электрического потенциала.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения токоотводящий электрический потенциал является переменным.

Токоотводящий электрический потенциал согласно настоящему изобретению может быть приложен в течение различных периодов времени. Время приложения потенциала определяется характером и степенью загрязненности металлической поверхности, составом используемой воды, температурным режимом и особенностями работы теплотехнического устройства и другими факторами, известными специалистам в данной обрасти техники. Специалист в данной области техники, используя информацию, раскрытую в настоящем описании и используя стандартные методики испытаний, сможет определить оптимальное время приложения токоотводящего электрического потенциала, исходя из поставленных целей, условий и состояния теплотехнического устройства.

Величина токоотводящего потенциала, требуемая для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии, может быть определена специалистом в области коллоидной химии на основании сведений известных из уровня техники, например из книги Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. «Поверхностные силы», Москва, "Наука", 1985. Согласно некоторым вариантам реализации величина токоотводящего электрического потенциала находится в диапазоне от 10 В до 200 В, более предпочтительно от 60 В до 150 В, еще более предпочтительно от 61 В до 150 В. Значения токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В приводят к разряжению двойного электрического слоя, являющегося основой электростатической составляющей сил адгезии в накипи и, как следствие, разрушению накипи. Значения токоотводящего потенциала ниже 61 В являются недостаточными для разрушения накипи, а при значениях токоотводящего потенциала выше 150 В вероятно начало нежелательного электроэрозионного разрушения металла нагревательных трубок.

Металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно настоящему изобретению, может быть частью следующих теплотехнических устройств: нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе текущей эксплуатации. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список устройств, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению.

В некоторых вариантах реализации железосодержащий сплав, из которого выполнена металлическая поверхность, к которой может быть применен способ согласно к настоящему изобретению, может представляет собой сталь или другой железосодержащий материал, такой как чугун, ковар, фехраль, трансформаторную сталь, альсифер, магнико, альнико, хромистую сталь, инвар и др. Данный список является иллюстративным и не ограничивает список железосодержащих сплавов, к которым может быть применен способ согласно настоящему изобретению. Специалист в данной области техники на основании сведений, известных из уровня техники, сможет такие железосодержащие сплавы, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению.

Водная среда, из которой способна образовываться накипь, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения, представляет собой водопроводную воду. Водная среда также может представлять собой воду, содержащую растворенные соединения металлов. Растворенные соединения металлов могут представлять собой соединения железа и/или щелочно-земельных металлов. Водная среда также может представлять собой водную суспензию коллоидных частиц соединений железа и/или щелочно-земельных металлов.

Способ согласно настоящему изобретению удаляет ранее образовавшиеся отложения и служит безреагентным средством очистки внутренних поверхностей в ходе эксплуатации теплотехнического устройства, обеспечивая в дальнейшем безнакипный режим его работы. При этом размеры зоны, в пределах которой достигается предотвращение образования накипи и коррозии, существенно превышает размеры зоны эффективного разрушения накипи.

Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:

Не требует применения реагентов, т.е. экологически безопасен;

Прост в осуществлении, не требует специальных устройств;

Позволяет повысить коэффициент теплопередачи и повысить эффективность работы котлов, что существенно сказывается на экономических показателях его работы;

Может использоваться как дополнение к применяемым методам докотловой обработки воды, так и отдельно;

Позволяет отказаться от процессов умягчения и деаэрации воды, что во многом упрощает технологическую схему котельных и дает возможность значительно снизить затраты при строительстве и эксплуатации.

Возможными объектами способа могут быть водогрейные котлы, котлы-утилизаторы, закрытые системы теплоснабжения, установки по термическому опреснению морской воды, паропреобразовательные установки и пр.

Отсутствие коррозионных разрушений, накипеобразования на внутренних поверхностях открывает возможность для разработки принципиально новых конструктивных и компоновочных решений паровых котлов малой и средней мощности. Это позволит, за счет интенсификации тепловых процессов, добиться существенного уменьшения массы и габаритов паровых котлов. Обеспечить заданный температурный уровень поверхностей нагрева и, следовательно, уменьшить расход топлива, объем дымовых газов и сократить их выбросы в атмосферу.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

Способ, заявленный в настоящем изобретении, был испытан на котельных заводах «Адмиралтейские верфи» и «Красный химик». Было показано, что способ согласно настоящему изобретению эффективно очищает внутренние поверхности котлоагрегатов от отложений. В ходе этих работ была получена экономия условного топлива 3-10%, при этом разброс значений экономии связан с различной степенью загрязненности внутренних поверхностей котлоагрегатов. Целью работы являлась оценка эффективности заявленного способа для обеспечения безреагентного, безнакипного режима работы паровых котлоагрегатов средней мощности в условиях качественной водоподготовки, соблюдения водно-химического режима и высокого профессионального уровня эксплуатации оборудования.

Испытание способа, заявленного в настоящем изобретении, проводилось на паровом котлоагрегате №3 ДКВр 20/13 4-ой Красносельской котельной Юго-Западного филиала ГУП «ТЭК СПб». Эксплуатация котлоагрегата проводилась в строгом соответствии с требованиями нормативных документов. На котле установлены все необходимые средства контроля параметров его работы (давления и расхода вырабатываемого пара, температуры и расхода питательной воды, давления дутьевого воздуха и топлива на горелках, разряжения в основных сечениях газового тракта котлоагрегата). Паропроизводительность котла поддерживалась на уровне 18 т/час, давление пара в барабане котла - 8,1…8,3 кг/см 2 . Экономайзер работал в теплофикационном режиме. В качестве исходной воды использовалась вода городского водопровода, которая соответствовала требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Необходимо отметить, что количество соединений железа на вводе в указанную котельную, как правило, превышает нормативные требования (0,3 мг/л) и составляет 0,3-0,5 мг/л, что приводит к интенсивному зарастанию внутренних поверхностей железистыми соединениями.

Оценка эффективности способа производилась по состоянию внутренних поверхностей котлоагрегата.

Оценка влияния способа согласно настоящему изобретению на состояние внутренних поверхностей нагрева котлоагрегата.

До начала испытаний был произведен внутренний осмотр котлоагрегата и зафиксировано исходное состояние внутренних поверхностей. Предварительный осмотр котла был произведен в начале отопительного сезона, через месяц после его химической очистки. В результате осмотра выявлено: на поверхности барабанов сплошные твердые отложения темно-коричневого цвета, обладающие парамагнитными свойствами и состоящие, предположительно, из окислов железа. Толщина отложений составляла до 0,4 мм визуально. В видимой части кипятильных труб, преимущественно на стороне обращенной к топке, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 мм длины трубы с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

Устройство для создания токоотводящего потенциала, описанное в RU 2100492 С1, было присоединено в точке (1) к лючку (2) верхнего барабана с тыльной стороны котла (см. Фиг.1). Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности (3) верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров (зона (4)) от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала (1)). На удалении 2,5-3,0 м (зона (5)) от лючков отложения (6) сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту, (на удалении 3,0-3,5 м от лючков) начинаются сплошные отложения (7) до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился. Токоотводящий электрический потенциал был равен 100 В. Токоотводящий электрический потенциал поддерживался непрерывно в течение 1,5 месяцев. По окончании этого периода было произведено вскрытие котлоагрегата. В результате внутреннего осмотра котлоагрегата было установлено практически полное отсутствие отложений (не более 0,1 мм визуально) на поверхности верхнего и нижнего барабанов в пределах 2-2,5 метров от лючков барабанов (точки присоединения устройства для создания токоотводящего потенциала). На удалении 2,5-3,0 м от лючков отложения сохранились в виде отдельных бугорков (пятен) толщиной до 0,3 мм (см. Фиг.1). Далее, по мере продвижения к фронту (на удалении 3,0-3,5 м от лючков), начинаются сплошные отложения до 0,4 мм визуально, т.е. на этом удалении от точки подключения устройства эффект способа очистки согласно настоящего изобретения практически не проявился.

В видимой части кипятильных труб, в пределах 3,5-4,0 м от лючков барабанов, наблюдалось практически полное отсутствие отложений. Далее, по мере продвижения к фронту, обнаружены не сплошные твердые отложения (до пяти пятен на 100 п.мм с размером от 2 до 15 мм и толщиной до 0,5 мм визуально).

В результате этого этапа испытаний был сделан вывод о том, что способ согласно настоящему изобретению без применения каких-либо реагентов позволяет эффективно разрушать ранее образовавшиеся отложения и обеспечивает безнакипный режим работы котлоагрегата.

На следующем этапе испытаний устройство для создания токоотводящего потенциала было присоединено в точке «В» и испытания продолжались в течение еще 30-45 суток.

Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено после 3,5 месяцев непрерывной эксплуатации устройства.

Осмотр котлоагрегата показал, что оставшиеся ранее отложения полностью разрушены и лишь в незначительном количестве сохранились на нижних участках кипятильных труб.

Это позволило сделать следующие выводы:

Размеры зоны, в пределах которой обеспечивается безнакипный режим работы котлоагрегата, существенно превышают размеры зоны эффективного разрушения отложений, что позволяет последующим переносом точки подключения токоотводящего потенциала произвести очистку всей внутренней поверхности котлоагрегата и далее поддерживать безнакипный режим его работы;

Разрушение ранее образовавшихся отложений и предотвращение образования новых обеспечивается различными по характеру процессами.

По результатам осмотра было принято решение продолжить испытания до конца отопительного периода с целью окончательной очистки барабанов и кипятильных труб и выяснения надежности обеспечения безнакипного режима работы котла. Очередное вскрытие котлоагрегата было произведено через 210 суток.

Результаты внутреннего осмотра котла показали, что процесс очистки внутренних поверхностей котла в пределах верхнего и нижнего барабанов и кипятильных труб завершился практически полным удалением отложений. На всей поверхности металла образовалось тонкое плотное покрытие, имеющее черный цвет с синей побежалостью, толщина которого даже в увлажненном состоянии (практически сразу после вскрытия котла) не превышала 0,1 мм визуально.

Одновременно подтвердилась надежность обеспечения безнакипного режима работы котлоагрегата при применении способа настоящего изобретения.

Защитное действие магнетитовой пленки сохранялось до 2-х месяцев после отсоединения устройства, что вполне достаточно для обеспечения консервации котлоагрегата сухим способом при переводе его в резерв или на ремонт.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении различных конкретных примеров и вариантов реализации изобретения, следует понимать, что это изобретение не ограничено ими и что оно может быть реализовано на практике в рамках объема приведенной ниже формулы изобретения

1. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включающий приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи и коррозии нагревательных труб паровых и водогрейных котлов, теплообменников, бойлерных установок, испарителей, теплотрасс, систем отопления жилых домов и промышленных объектов в процессе эксплуатации. Способ предотвращения образования накипи на металлической поверхности, выполненной из железосодержащего сплава и находящейся в контакте с пароводяной средой, из которой способна образовываться накипь, включает приложение к указанной металлической поверхности токоотводящего электрического потенциала в диапазоне от 61 В до 150 В для нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии между указанной металлической поверхностью и коллоидными частицами и ионами, образующими накипь. Технический результат - повышение эффективности и производительности работы водогрейных и паровых котлов, увеличение эффективности теплопередачи, обеспечение послойного разрушения и удаления образовавшейся накипи, а также предотвращение ее нового образования. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 ил.

Морской сайт Россия нет 05 октября 2016 Создано: 05 октября 2016 Обновлено: 05 октября 2016 Просмотров: 5363

Виды коррозии. В процессе работы элементы парового котла подвергаются воздействию агрессивных сред - воды, пара и дымовых газов. Различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия ,вызванная паром или водой, разрушает металл равномерно по всей поверхности. Скорость такой коррозии в современных судовых котлах низкая. Более опасна местная химическая коррозия, вызываемая агрессивными химическими соединениями, содержащимися в отложениях золы (серы, окислов ванадия и т. п.).

Наиболее распространенной и опасной является электрохимическая коррозия , протекающая в водных растворах электролитов при возникновении электрического тока, вызванного разностью потенциалов между отдельными участками металла, отличающимися химической неоднородностью, температурой или качеством обработки.
Роль электролита выполняют вода (при внутренней коррозии) или сконденсировавшиеся пары воды в отложениях (при наружной коррозии).

Возникновение таких микрогальванических пар на поверхности труб приводит к тому, что ион-атомы металла переходят в воду в виде положительно заряженныхионов, а поверхность трубы в этом месте приобретает отрицательный заряд. Если различие в потенциалах таких микрогальванических пар незначительно, то на границе металл-вода постепенно создается двойной электрический слой, который тормозит дальнейший ход процесса.

Однако в большинстве случаев потенциалы отдельных участков различны, что обусловливает возникновение ЭДС, направленной от большего потенциала (анода) к меньшему (катоду).

При этом с анода в воду переходят ион-атомы металла, а на катоде накапливаются избыточные электроны. В результате ЭДС и, следовательно, интенсивность процесса разрушения металла резко снижаются.

Это явление называется поляризацией. Если потенциал анода уменьшается в результате образования защитной оксидной пленки или роста концентрации ионов металла в районе анода, а потенциал катода практически не изменяется, то поляризация носит название анодной.

При катодной поляризации в растворе у катода резко падает концентрация ионов и молекул, способных удалять избыточные электроны с поверхности металла. Из этого следует, что основным моментом борьбы с электрохимической коррозией является создание таких условий, когда будут поддерживаться оба вида поляризации.
Практически достигнуть этого невозможно, так как в котловой воде всегда имеются деполяризаторы - вещества, вызывающие нарушение процессов поляризации.

К деполяризаторам относятся молекулы О 2 и СО 2 , ионы Н + , Сl - и SO - 4 , а также окислы железа и меди. Растворенные в воде СО 2 , Cl - и SO - 4 тормозят образование на аноде плотной защитной оксидной пленки и тем самым способствуют интенсивному протеканию анодных процессов. Ионы водорода Н + снижают отрицательный заряд катода.

Влияние кислорода на скорость коррозии стало проявляться в двух противоположных направлениях. С одной стороны, кислород увеличивает скорость коррозионного процесса, так как является сильным деполяризатором катодных участков, с другой оказывает пассивирующее действие на поверхность.
Обычно детали котла, изготовленные из стали, имеют достаточно прочную первоначальную оксидную пленку, которая защищает материал от воздействия кислорода до тех пор, пока не будет разрушена под действием химических или механических факторов.

Скорость гетерогенных реакций (к которым относится и коррозия) регулируется интенсивностью следующих процессов: подводом к поверхности материала реагентов (в первую очередь деполяризаторов); разрушением защитной оксидной пленки; удалением продуктов реакции от места ее протекания.

Интенсивность же этих процессов во многом определяется гидродинамическими, механическими и тепловыми факторами. Поэтому меры по снижению концентрации агрессивных химических реагентов при высокой интенсивности двух других процессов, как показывает опыт эксплуатации котлов, обычно малоэффективны.

Отсюда следует, что решение проблемы предотвращения коррозионных повреждений должно быть комплексным, когда учитываются все факторы, влияющие на исходные причины разрушения материалов.

Электрохимическая коррозия

В зависимости от места протекания иучаствующих в реакциях веществ различают следующие виды электрохимической коррозии:

кислородную (и ее разновидность - стояночную),
подшламовую (иногда называемую „ракушечной"),
межкристаллитную (щелочная хрупкость котельных сталей),
щелевую и
сернистую.

Кислородная коррозия наблюдается в экономайзерах, арматуре, питательных и опускных трубах, пароводяных коллекторах и внутриколлекторных устройствах (щитах, трубах, пароохладителях и т.п.). Особенно сильно подвержены кислородной коррозии змеевики второго контура двухконтурных котлов, утилизационных котлов и паровых воздухоподогревателей. Кислородная коррозия протекает во время действия котлов и зависит от концентрации кислорода, растворенного в котловой воде.

Скорость кислородной коррозии в главных котлах низкая, что обусловлено эффективной работой деаэраторов и фосфатно-нитратным водным режимом. Во вспомогательных водотрубных котлах она нередко достигает 0,5 - 1 мм/год, хотя в среднем лежит в пределах 0,05 - 0,2 мм/год. Характер повреждения котельных сталей - язвы небольших размеров.

Более опасной разновидностью кислородной коррозии является стояночная коррозия , протекающая в период бездействия котла. В силу специфики работы все судовые котлы (а вспомогательные особенно) подвержены интенсивной стояночной коррозии. Как правило, стояночная коррозия не приводит к отказам котла, однако металл, подвергшийся коррозии во время остановок, при прочих равных условиях более интенсивно разрушается при работе котла.

Основной причиной возникновения стояночной коррозии является попадание кислорода в воду, если котел заполнен, или в пленку влаги на поверхности металла, если котел осушен. Большую роль при этом играют хлориды и NaOH, содержащиеся в воде, и водорастворимые отложения солей.

При наличии в воде хлоридов интенсифицируется равномерная коррозия металла, а если в ней содержится незначительное количество щелочей (меньше 100 мг/л), то коррозия локализуется. Чтобы избежать стояночной коррозии при температуре 20 - 25 °С в воде должно содержаться до 200 мг/л NaOH.

Внешние признаки коррозии с участием кислорода: локальные язвы небольшого размера (рис. 1, а), заполненные продуктами коррозии бурого цвета, которые образуют бугорки над язвами.

Удаление кислорода из питательной воды является одним из важных мероприятий по снижению кислородной коррозии. С 1986 г. содержание кислорода в питательной воде для судовых вспомогательных и утилизационных котлов ограничивается 0,1 мг/л.

Однако и при таком кислородосодержании питательной воды в эксплуатации наблюдаются коррозионные повреждения элементов котла, что свидетельствует о преобладающем влиянии процессов разрушения оксидной пленки и вымывании продуктов реакции из очагов коррозии. Наиболее наглядным примером, иллюстрирующим влияние этих процессов на коррозионные повреждения, являются разрушения змеевиков утилизационных котлов с принудительной циркуляцией.

Рис. 1. Повреждения при кислородной коррозии

Коррозионные повреждения при кислородной коррозии обычно строго локализованы: на внутренней поверхности входных участков (см. рис. 1, а), в районе гибов (рис. 1, б), на выходных участках и в колене змеевика (см. рис. 1, в), а также в пароводяных коллекторах утилизационных котлов (см. рис. 1, г). Именно на этих участках (2 - область пристенной кавитации) гидродинамические особенности потока создают условия для разрушения оксидной пленки и интенсивного вымывания продуктов коррозии.
Действительно, любые деформации потока воды и пароводяной смеси сопровождаются возникновением кавитации в пристенных слоях расширяющегося потока 2, где образующиеся и тут же схлопывающиеся пузырьки пара обусловливают разрушение оксидной пленки вследствие энергии гидравлических микроударов.
Этому способствуют также знакопеременные напряжения в пленке, вызванные вибрацией змеевиков и колебаниями температуры и давлений. Повышенная же локальная турбулизация потока на этих участках вызывает активное вымывание продуктов коррозии.

На прямых выходных участках змеевиков оксидная пленка разрушается из-за ударов о поверхность капелек воды при турбулентных пульсациях потока пароводяной смеси, дисперсно-кольцевой режим движения которой переходит здесь в дисперсный при скорости потока до 20-25 м/с.
В этих условиях даже невысокое кислородосодержание (~ 0,1 мг/л) обусловливает интенсивное разрушение металла, что приводит к появлению свищей на входных участках змеевиков утилизационных котлов типа Ла Монт через 2-4 года эксплуатации, а на остальных участках - через 6-12 лет.

Рис. 2. Коррозионные повреждения змеевиков экономайзеров утилизационных котлов КУП1500Р теплохода "Индира Ганди".

В качестве иллюстрации к изложенному рассмотрим причины повреждения змеевиков экономайзеров двух утилизационных котлов типа КУП1500Р, установленных на лихтеровозе «Индира Ганди» (типа "Алексей Косыгин"), который вступил в эксплуатацию в октябре 1985 г. Уже в феврале 1987 г. из-за повреждений заменены экономайзеры обоих котлов. Через 3 года и в этих экономайзерах появляются повреждения змеевиков, расположенные на участках до 1-1,5 м от входного коллектора. Характер повреждений свидетельствует (рис. 2, а, б) о типичной кислородной коррозии с последующим усталостным разрушением (поперечные трещины).

Однако природа усталости на отдельных участках различна. Появление трещины (а ранее - растрескивание оксидной пленки) в районе сварного шва (см. рис. 2, а) является следствием знакопеременных напряжений, обусловленных вибрацией пучка труб и конструктивной особенностью узла соединения змеевиков с коллектором (к изогнутому штуцеру диаметром 22x3 приварен конец змеевика диаметром 22x2).
Разрушение же оксидной пленки и образование усталостных трещин на внутренней поверхности прямых участков змеевиков, удаленных от входа на 700-1000 мм (см. рис. 2, б), обусловлены знакопеременными термическими напряжениями, возникающими в период ввода котла в действие, когда на горячую поверхность подается холодная вода. При этом действие термических напряжений усиливается тем, что оребрение змеевиков затрудняет свободное расширение металла трубы, создавая дополнительные напряжения в металле.

Подшламовая коррозия обычно наблюдается в главных водотрубных котлах на внутренних поверхностях экранных и парообразующих труб притопочных пучков, обращенных к факелу. Характер подшламовой коррозии - язвы овальной формы с размером по большой оси (параллельной оси трубы) до 30-100 мм.
На язвах имеется плотный слой окислов в виде „ракушек" 3 (рис. 3). Подшламовая коррозия протекает в присутствии твердых деполяризаторов - окислов железа и меди 2, которые осаждаются на наиболее теплонапряженных участках труб в местах активных центров коррозии, возникающих при разрушении оксидных пленок.
Сверху образуется рыхлый слой накипи и продуктов коррозии 1. Образующиеся „ракушки" из продуктов коррозии прочно сцеплены с основным металлом и могут быть удаленытолько механическим путем. Под „ракушками" ухудшается теплообмен, что приводит к перегреву металла и появлению выпучин.
Для вспомогательных котлов этот вид коррозии не характерен, но при высоких тепловых нагрузках и соответствующих режимах водообработки не исключено появление подшламовой коррозии и в этих котлах.