CC BY
114
УДК 628.1
АНАЛИЗ ПРИЧИН УСКОРЕННОЙ КОРРОЗИИ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В СИСТЕМАХ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В.А. Чухин, А.П. Андрианов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация.
Рассмотрены условия и механизмы, вызывающие аномально быструю коррозию стальных оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения. Приведены результаты обследования систем горячего водоснабжения ряда современных жилых зданий. Представлены рекомендации и мероприятия по снижению воздействия коррозии в системах горячего водоснабжения.
Ключевые слова:
система горячего водоснабжения, стальные оцинкованные трубы, питтинговая коррозия, жилые здания, обследование, эксплуатация, полотенцесушитель. История статьи:
Дата поступления в редакцию 29.03.21 Дата принятия к печати 30.03.21
1. Введение
1.1. Постановка проблемы
Проблема коррозии стальных трубопроводов во внутренних системах горячего водоснабжения не теряет актуальности, при этом особое внимание обращают на себя случаи ускоренной коррозии, наблюдаемые на новых объектах, введенных в эксплуатацию всего несколько лет назад.
На рис. 1 представлены фотографии элементов оборудования и труб со свищами, образовавшихся в новых оцинкованных трубах, срок эксплуатации которых не превышает 3-4 лет. Эти фотографии получены авторами в 2014-2020 гг. в процессе обследования систем водоснабжения в пяти крупных жилых комплексах, состоящих из многоквартирных корпусов с одно- и двухзонными системами водоснабжения. Жилые дома расположены в Москве, Московской области и Рязани. Основанием для обследования служит появление у потребителей «ржавой» воды и/или свищей в оцинкованных трубах системы ГВС.
Основными местами, где чаще всего наблюдаются случаи питтинговой коррозии, являются: магистральные трубопроводы (рис. 1, е и рис. 1, з), имеющие большую протяженность; участки труб, примыкающие к запорной арматуре (рис. 1, д и рис. 1, е); стояки в местах присоединения полотенцесушителей (рис. 1, б и рис. 1, в). Достаточно часто точечная коррозия появляется на участках ответвлений к стоякам при обходе трубами водоснабжения других коммуникаций, что приводит к появлению U и П-образных участков присоединений стояков магистральных трубопроводов или Т-образных вертикальных врезок труб в горизонтальные трубопроводы (рис. 1, ж). Для труб большого диаметра характерными местами расположения свищей являются сварные швы, расположенные в нижней части горизонтальных труб (рис. 1, з). Использование сварки при устройстве замыкающего участка при монтаже полотенцесушителя также является частой причиной появления питтингов (рис. 1, б и рис. 1, в). При этом общее количество стыков на стояке составляет четыре только на присоединение одного полотенцесушителя.
Исследования по коррозии оцинкованных труб показывают, что ее причинами может быть нарушение температурного режима, неравномерность распределения толщины цинкового покрытия по внутренней поверхности трубы, наличие сварных соединений и запорной арматуры из углеродистой стали без покрытия, осадок в трубах [1-4]. Тем не менее, причины, вызывающие ускоренную коррозию в отдельных системах ГВС, недостаточно выяснены. В настоящей статье сделан акцент на изучении внешних конструктивных причин коррозии трубопроводов в системах ГВС.
Обычно ускоренная коррозия трубопроводов в системах ГВС имеет питтинговую природу, когда отдельные участки корродируют гораздо быстрее, чем остальная поверхность трубы [3, 5, 6]. Важную роль в этом процессе играет кислород [7, 8]. Это особенно заметно в трубах, только частично заполненной водой. При обследовании систем противопожарного водоснабжения, выполненных их оцинкованных стальных труб, была обнаружена значительная питтинговая коррозия в нижней части сухотрубов, заполненных остаточной водой [7]. По мнению авторов [7] наличие воздушного зазора над остаточной водой приводит к высокому содержанию растворенного кислорода и углекислого газа в воде и делает ее агрессивной по отношению к трубе из оцинкованной стали.
На рис. 2 приведена схема развития питтинга в стенке стальной трубы [8]. Из схемы видно, что коррозию вызывает наличие в воде кислорода. Однако, образование питтинга становится возможным только тогда, когда будет разрушена пассивная пленка, которая находится на поверхности металла, а также потенциал между катодом и анодом превысит значение Рpitt (потенциал питтинго-образования). Это значение может быть достигнуто при отсутствии кислорода в точке зарождения питтинга. В случае оцинкованных труб роль пассивной пленки выполняет слой цинка.
Рис. 1. Примеры коррозии со свищами оцинкованных труб в системах горячего водоснабжения: а — участок трубы в обвязке насосов системы ГВС; б, в — перемычка на стояке (замыкающий участок) у полотенцесушителя, переход с диаметра 32 мм на 15 мм; г — участок трубы стояка Ду 32; д — основание стояка со спускным краном; е — участок магистрального трубопровода с ответвлением к стояку; ж — трубы системы ГВС с вырезанными участками, имеющими сквозные отверстия; з — свищи вдоль сварного шва горизонтального магистрального трубопровода (Ду 100); и — распределение коррозионного осадка по периметру трубы (Ду 100)
03
г
м О
-I
м
Э СО
I
I
<и
а .
о :
В *
0 го > 2
1 и
5 Ь
С И
(Ч и
5 2 4 я
ГО о
1 й *§
х >
а *
с ¡3
£¡5
£ а £ о
■ о ей I
Рис. 2. Схема образования питтинга [8]
Питтинг, как правило, перекрыт слоем осадка (на схеме Бе304), образующего бугорок. Структура бугорка хорошо изучена и включает как минимум три элемента: верхний поверхностный слой, плотный слой, проводящий электроны, и рыхлое ядро [9]. Источником оксидов железа, формирующих бугорок, является корродирующий металл трубы и гидроксильные ионы ОН-, образующиеся из воды в результате гидролиза. Бугорок, состоящий из продуктов коррозии железа, создает барьер между водой в объеме трубы и водой, находящейся внутри питтинга.
Накопление ионов железа в месте анода (нижняя часть питтинга на рис. 2) вызывает диффузию анионов — хлоридов и сульфатов — из основного объема воды. Внутри питтинга образуются соли железа, БеС12, Бе804, которые подвергаются гидролизу до Бе(0Н)2 с образованием кислот НС1 и Н2804 [10].
Характеристики металла и его состав, внешние факторы, такие как химический состав воды (концентрация электролита, рН), а также другие электрохимические факторы влияют на скорость образования и структуру питтингов [3]. рН раствора внутри питтинга всегда отличается от объемного раствора, имея значения ниже 3 в результате гидролиза ионов металлов. «Инкубационный период» питтингов (время от зарождения до образования видимого питтинга) может составлять месяцы или годы [10].
Наличие кислоты ускоряет процесс коррозии, делая его автокаталитическим, т.е., практически необратимым. Концентрация кислоты по мере углубления питтинга возрастает, так как часть воды расходуется в реакции гидролиза, а приток новой воды из основного объема трубы внутрь питтинга ограничен отверстием в верхней части бугорка и давлением (подпором), которое оказывает образующийся водород. Другую часть воды увлекают пузырьки водорода, которые захватывают и переносят в пленке продукты коррозии. Уменьшение объема воды объясняет коническую форму питтинга. Ионы водорода, образующиеся при гидролизе, восстанавливаются до газообразного водорода, который удаляется из зоны коррозии по каналам, которые в литературе по коррозии получили название дымоходы [9].
2. Результаты и обсуждение
Анализ причин питтинговой коррозии стальных как черных, так и оцинкованных труб показывает, что основной вклад в развитие аномально быстрой коррозии в системах ГВС вносит кислород, содержащийся в водопроводной воде. При этом средством доставки кислорода к поверхности металла является движение воды в трубах, т.е. создание градиента концентрации кислорода в различных точках на поверхности трубы, прежде всего, зависит от гидравлического режима движения воды.
Появление свищей в трубах, показанных на рис. 1, вызвано нарушением гидравлического режима. В одном случае это произошло из-за частично открытого шарового крана (рис. 1, а), а в другом —
из-за перехода с большего диаметра трубы на меньший (рис. 1, б и рис. 1, в). Частично закрытая арматура или резкое изменение диаметра вызывают появление вихревых потоков внутри трубы, которые приводят к неравномерной аэрации внутренней поверхности трубы и появлению свищей. Высокая скорость движения воды в трубах, с одной стороны, способствует пассивации поверхности металла, а с другой стороны, увеличивает скорость диффузии ионов корродирующего металла. Разрушение происходит локально, в местах, где имеются повреждения защитной пленки, недостаточная толщина слоя цинка, или в составе цинкового покрытия имеются включения, которые являются катодами. Турбулентный режим движения воды также может приводить к разрушению бугорков и образовывать зарождающиеся питтинги.
Коррозию в горизонтально расположенных трубах, проложенных практически без уклона ввиду большой протяженности (рис. 1, е и рис. 1, з), можно объяснить низкой скоростью воды в периоды снижения водопотребления при работе циркуляционного насоса с пониженной подачей. Процесс коррозии в этом случае протекает следующим образом. На внутренней поверхности трубы, в ее верхней и нижней частях, возникает разность концентраций кислорода. При этом верхняя поверхность (рис 1, и), контактирующая с кислородом, находящимся в воздушной фазе, становится катодом, а нижняя, контактирующая с кислородом, растворенном в воде, анодом. Наличие в нижней части трубы сварного шва ускоряет развитие питтинговой коррозии (рис. 1, з).
На рис. 1, ж представлена фотография, сделанная в одном из обследованных домов, с участками труб от магистрального трубопровода до кольцующих перемычек, объединяющих несколько стояков горячей воды в секционные узлы. При этом направление движения воды происходит по и или П-образной траектории в вертикальной плоскости. При Т-образном соединении труб и при движении воды сверху-вниз воздух движется противотоком и при небольшой скорости движения воды, собирается вдоль верхней образующей горизонтальной трубы, вызывая интенсивную коррозию на участках трубы, контактирующих с водой с меньшим содержанием кислорода. При наличии стояков, удаленных от ИТП, горячая вода может поступать в них с пониженной температурой, что в некоторых случаях приводит к опрокидыванию циркуляции, т.е. к появлению в стояках встречных потоков одновременно из магистралей Т3 и Т4 [11] при подаче горячей воды из верхнего розлива. В этом случае возможно появление питтингов непосредственно на стояках (рис. 1, г).
Для равномерного распределения горячей воды по стоякам в системе ГВС в последнее время устанавливают балансировочные клапаны. Когда температура воды повышается сверх установленного на регуляторе значения, клапан закрывается, что приводит к сокращению циркуляции воды через стояк, вплоть до полного прекращения. При снижении температуры происходит обратный процесс — клапан открывается и расход воды в стояке увеличивается. Клапан уравновешивается, когда температура воды соответствует заданной. Если температура воды будет свыше заданного значения на 5 °С, клапан полностью закроется. Полное перекрытие клапана может оказывать неблагоприятное воздействие на распределение воздуха (и соответственно, кислорода) в участке подающего трубопровода Т3 (от магистрали до стояка), так как скорость движения воды становится равной нулю. В этом случае создаются условия для образования локальных градиентов концентрации кислорода. Следует отметить, что рекомендации по применению балансировочных клапанов в системах ГВС не были оценены с точки зрения влияния на коррозионные процессы.
Причиной накопления кислорода (завоздушивания) в трубах являются следующие факторы:
- отсутствие уклонов или недостаточные уклоны трубопроводов, что характерно для протяженных сетей;
- выход из строя автоматических воздухоотводчиков на стояках;
- низкие скорости движения воды в трубопроводах, не обеспечивающее вытеснение воздушных пробок и удаление продуктов коррозии;
- недопустимое снижение расхода воды с помощью запорной арматуры и балансировочных клапанов;
- противоположное направление движения воды и воздуха в трубопроводах; Системные технологии 1 (№38) 2021
03
г
м О
-I
м
Э СО
I
I
<и
а .
о :
В *
0 го > 2
1 и
5 Ь
С И
(Ч и
5 2 4 я
ГО о
1 55 *§
х >
а *
с ¡3
£¡5
£ а £ о
■ о ей I
- наличие присоединения стояков к магистральной сети по U-, П- или Т-образной схемам в вертикальной плоскости.
При отсутствии уклонов следует дополнительно устанавливать автоматические воздухоотводчики в самых высоких точках на магистральных трубопроводах; заменять (а не заваривать) участки труб при появлении свищей; увеличивать расход воды в режиме циркуляции (замена насоса). При появлении ржавой воды необходимо проводить регулярные промывки магистральных трубопроводов с увеличенным расходом в соответствии с [12].
5. Выводы
Проведенное обследование показывает, что при современной тенденции к увеличению этажности зданий и протяженности магистральных трубопроводов, соблюдение технологии производства работ и эксплуатации, может защитить систему ГВС от аномально быстрой коррозии и обеспечить ее безаварийную работу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чухин В.А., Андрианов А.П. Ускоренная коррозия оцинкованных трубопроводов в системах ГВС // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2019. №7. С. 22-30.
2. Андрианов А.П., Чухин В.А. Идентификация коррозии оцинкованных труб в системе водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. 2019. №9. С. 39-44.
3. Болеев А.А., Потоловский Р.В., Акимов О.Ю. Изучение влияния величины рН и солесодержания воды на скорость коррозии трубопроводов // Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2012. № 2 (3). С. 103-105.
4. Sun H., Liu S., Sun L. A Comparative Study on the Corrosion of Galvanized Steel under Simulated Rust Layer Solution with and without 3.5wt% NaCl // International Journal of Electrochemical Science. 2013. V. 8. Pp. 3494-3509.
5. ASM Handbook. V. 13A. Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection. 2003. 1022 p.
6. Wang Y., Cheng G., Wu W, Li Y. Role of inclusions in the pitting initiation of pipeline steel and the effect of electron irradiation in SEM // Corrosion Science. 2018. V. 130. Pp. 252-260.
7. Su P., Fuller D.B. Corrosion and Corrosion Mitigation in Fire Protection Systems. FM Global, 1151 Boston-Providence Turnpike, Norwood, MA 02062, 2nd Edition, July 2014, Project ID 0003040794.
8. LotoR.T. Pitting corrosion evaluation and inhibition of stainless steels: A review // Journal of Materials and Environmental Science. 2015. V. 6 (10). Pp. 2750-2762.
9. Gerke T.L., Maynard J.B., Schock M.R., Lytle D.L. Physiochemical characterization of five iron tubercles from a single drinking water distribution system: possible new insights on their formation and growth. // Corrosion Science. 2008. V 50, Iss. 7. Pp. 2030-2039.
10. Akpanyung K.V., Loto R.T. Pitting corrosion evaluation: a review. International Conference on Engineering for Sustainable World // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1378. 022088.
11. Чистяков Н.Н., Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Покровская И.Б., Прохоров Е.И. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. — М., 1988.
12. СП 347.1325800.2017. Внутренние системы отопления, горячего и холодного водоснабжения. Правила эксплуатации.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
В.А. Чухин, А.П. Андрианов. Анализ причин ускоренной коррозии стальных трубопроводов в системах горячего водоснабжения. — Системные технологии. — 2021. — № 38. — С. 66—71.
ANALYSIS OF THE CAUSES OF ACCELERATED CORROSION OF STEEL PIPELINES IN HOT WATER SUPPLY SYSTEMS V.A. Chukhin, A.P. Andrianov
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract.
The conditions and mechanisms that cause abnormally rapid corrosion of galvanized steel pipes in hot water supply systems are considered. The results of a survey of hot water supply systems in a number of modern residential buildings are presented. Recommendations and measures to reduce the impact of corrosion in hot water supply systems are proposed.
Key words.
hot water system, steel galvanized pipes, pitting corrosion, residential buildings, inspection, operation, heated towel rail. Date of receipt in edition: 29.03.21 Date o f acceptance for printing: 30.03.21
УДК 711
- и
г
м
ВНЕДРЕНИЕ ЭКОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВО: СРАВНЕНИЕ 3
ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА И ОТЕЧЕСТВЕННОГО ^
СО
О.Н. Яковчиц, А.С. Хохлова
Российский Университет Дружбы Народов, Москва
Ключевые слова:
экология, строительство, город, территория, зеленая экономика. История статьи: Дата поступления в редакцию 15.01.21
Дата принятия к печати 22.01.21
Аннотация.
Статья посвящена исследованию зарубежного опыта концепта внедрения экологии в строительство с учетом выделения перспективных направлений для отечественных специалистов. Автором отмечено, что экологической точки зрения, устойчивое развитие государстве должно обеспечивать целостность биологических и физических природных систем, в связи с чем основное внимание при застройке территорий должно уделяться сохранению у окружающей среды способности к самовосстановлению и динамической адаптации к изменениям, а не только сохранению ее в некотором статическом состоянии.
Также аналитический обзор современных теоретических и практических наработок отечественных и зарубежных авторов позволил констатировать, что своевременное градостроительство должно быть направлено на создание экогорода. В развитых странах экогорода проектируются с учетом воздействия на окружающую среду, с минимизацией потребления энергии, воды и других ресурсов, исключением безосновательного (чрезмерного) выделения тепла, загрязнения воздуха и воды. Современный экологический подход к организации строительства в России должен быть основан на комплексной оценке рисков и выгод от застройки. Экологизация строительства представляется в исследовании важнейшим инструментом в формировании устойчивого развития страны, центральным звеном которого выступает экологический каркас территории, функционирующий в системе элементов урбанизированного ландшафта. В развитых странах между природно-экологическими элементами и хозяйственными структурами создаются буферные (компенсационные) зоны, обеспечивающие экологическое благополучие городского ландшафта. Концепция экологического строительства также предусматривает специфическое использование участков ландшафта с ценными экологическими свойствами и применение комплексного подхода в управлении территориями, когда при принятии каждого конкретного решения специалистами будут учитываться особенности территории.
и
s s
о
0
X
m
<и s
1
(U
а ^
и i
со «
со
о
X О X
U «
га н
с
о о
0
1
£
(U
ю >
а
га
m
<и s i (U I U
га а
и
S U
О ц
* (U
« s
X â
О и
