CC BY
40
УДК 621.311
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ОТЛОЖЕНИЙ С ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОСЕТИ ГОРОДА НАБЕРЕЖНЫЕ ЧЕЛНЫ
Н.Д. ЧИЧИРОВА, А.А. ЧИЧИРОВ, А.Ю. СМИРНОВ, Б.А. ГИНИЯТУЛЛИН,
Д.Ю. МАТВЕЕВ
Казанский государственный энергетический университет
Методами химического анализа и ИК-спектроскопии проведено исследование состава и структуры отложений из различных участков открытой тепловой сети города Набережные Челны. Все отобранные образцы отложений имеют сложный химический состав, состоят из различных продуктов коррозии конструкционных материалов и компонентов воды теплосети.
Ключевые слова: тепловые электрические станции (ТЭС), открытая тепловая сеть, осадок, отложение, железо-оксидные соединения.
Введение
Обеспечение эксплуатационной надежности и увеличения срока службы трубопроводов, оборудования и арматуры тепловых сетей напрямую связано с энергетической безопасностью страны, экологией и охраной окружающей среды [1]. Коррозионное разрушение магистральных трубопроводов теплосети является основной причиной снижения надежности систем теплоснабжения.
Для эффективного решения задач повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов, а также снижения скорости образования новых и удаления имеющихся отложений с трубопроводов и других поверхностей теплообмена необходима разработка методик достоверного определения состава и структуры отложений и механизма их образования.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования выбрана «Набережночелнинская теплосетевая компания», так как система теплоснабжения г. Набережные Челны наиболее распространенная для городов России смешанного типа: в северовосточной части города - открытая, в юго-западной части - закрытая. Проведен анализ химического состава и структуры отложений. Для этого из различных участков открытой теплосети взяты образцы вырезок труб и отложений, чтобы места отбора охватили все особенности теплосети.
У исследуемых отложений определяли удельный объем твердой фазы по объему вытесняемой воды и рассчитывали плотность твердой фазы. По известным методикам [2] определяли влажность, водорастворимый остаток, потерю веса при прокаливании при 900 °С, нерастворимый остаток в соляной кислоте. В водо- и кислоторастворимых частях химическими методами определяли содержание минеральных компонентов. Суммарное содержание органических веществ вычисляли по методике [3].
Анализ структуры твердых исследуемых осадков и отложений проводили методом ИК-спектроскопии. Инфракрасные спектры пропускания изучаемых образцов получены на Фурье спектрометре Vector 22 фирмы Bruker. Спектры регистрировались в диапазоне 400 - 4000 см-1 с разрешением 4 см-1. Накопление -16 сканов. Программное обеспечение - OPUS фирмы Bruker.
© Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров, А.Ю. Смирнов, Б.А. Гиниятуллин, Д.Ю. Матвеев Проблемы энергетики, 2011, № 3-4
Полученные спектры имели сложную структуру, что отражает комплексный состав отложений. В работах [4-9] приведены данные по характеристикам ИК-спектров вероятных компонентов отложений. При расшифровке спектров применяли следующий прием. Снимали спектры исходного образца до и после прокаливания при 900 °С. При прокаливании из образца удалялись летучие и термически нестойкие компоненты (карбонаты, органические вещества, кристаллизационная вода).
Исследуемые образцы, как правило, рентгеноаморфны. Рентгенодифрактограммы не приводятся ввиду их малой информативности.
Обсуждение результатов
Фрагмент подающего магистрального трубопровода диаметром 1000 мм открытой тепловой сети г. Набережные Челны, где отмечено наибольшее количество отложений, показан на рис. 1.
Рис. 1. Фрагмент подающего магистрального трубопровода диаметром 1000 мм открытой тепловой сети г. Набережные Челны. Образец вырезан 3 ноября 2010 г. с трубопровода, находящегося на складе утилизированных труб
Внешний вид и ИК-спектры отложений из подающей и обратной линий теплосети по улице Татарстан г. Набережные Челны показаны на рис. 2, 3, 4 и 5.
Рис. 2. Внешний вид отложений из подающей линии магистрального трубопровода по ул. Татарстан, г. Набережные Челны
J_I_I_I_I_I_I_I_I I_I_I_I
«
4000 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500
Волновое число, см"1
Рис. 3. ИК-спектры отложений из подающей линии по ул. Татарстан до и после прокаливания
Рис. 4. Внешний вид отложений из обратной линии магистрального трубопровода по
ул. Татарстан
Образец из подающей линии имеет твердое блестящее покрытие, состоящее, в основном, из силикатов и карбонатов. Однако соотношение карбонатов и силикатов смещено в сторону карбонатов. На этом участке отмечается медленное течение воды, внутри - продукты коррозии железа черного цвета.
Отложения из обратной линии самые большие, состоят преимущественно из высокоокисленных продуктов коррозии железа (Ре203). Также содержат все компоненты, присутствующие в воде теплосети, в основном - органические вещества и силикаты, которые выполняют роль связки.
4000 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 150(1 1250 1000 750 500
В о.1 и и вое число, см"1
Рис. 5. ИК-спектры отложений из обратной линии по ул. Татарстан, до и после прокаливания
В таблице представлены данные по химическому составу и структуре отложений с внутренней поверхности различных участков трубопроводов теплосети.
Таблица 1
Химический состав и структура отложений с внутренней поверхности разных участков трубопроводной системы открытой теплосети г. Набережные Челны в сентябре 2010 г.
Компонент Номер образца
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Рв20з, 80-85 70—75 70—75 25—30 25—30 80—85 65—70 75—80 30—35 8
в т.ч., Ге203-пИ20(гематнт) 60 30 20 10 15 25 10 45 15 5
Ге304 (магнетит) 15-20 30—35 35—40 15 10 50 50 20 15 2
ГеО(ОН) (гетит) 2 2 10 — 5 10 5 15 — —
Ге3+0(0Н) (лепидокрокит) 5 — — — — — — — — —
СаС0з(+МеС0з) < 2 5—8 3—5 8 20—25 1 ~ 5—8 2 5 30
Са804-2И20 < 1 1 1 1 2-5 0,5 2 1 — 5
Силикаты (на 8Ю2) 4 7 3 25 15 2 6 3 20 15
в т.ч., 8Ю2 (кристаллич.) < 2 2 2 10 — — 3 1 5 —
глина < 1 10 ~3—5 ~10 ~20 ~5 3 5 10 35
кремневая к-та и силикаты 2-5 2 — 10 — — — — 10 —
Органические остатки 10 5—10 5—10 ~5—10 До 5 5—10 ~10 10-15 до 5 5
Другие 6 5 5 5—10 5 5 5 5-10 5 ~15
Тип отложений Железо—оксидное + органическое Железо—оксидное + солевое Железо— оксидное (вторич.) Силикатное, илисто— глинистое +железо—оксидное Солевые, карбонатно— силикатное +железо—оксидное Железо—оксидное Железо—оксидное +солевые (карбонат) Железо—оксидное + илисто— глинистое Силикатное + железо—оксидное Илисто—глинистое + карбонатное
Все отобранные образцы отложений имеют сложный химический состав, состоят из различных продуктов коррозии конструкционных материалов и компонентов воды теплосети.
Основными компонентами, присутствующими во всех отложениях, являются:
1. Различные оксиды и гидроксиды железа: a-Fe203 (гематит), а-Fe00H-3H20 (гидрогетит), FeO(OH) (гетит), y-Fe3+0(0H) (лепидокрокит), Fe304 (магнетит). Собирательное название - железо-оксидные отложения.
2. Различные малорастворимые соединения ионов жесткости (Са2+ и Mg2+). В основном, это карбонат кальция - CaC03 в форме кальцита и арагонита. Карбонат кальция всегда содержит некоторое количество MgC03-3H20 (до 5% по массе от массы карбоната кальция). По представленным ИК-спектрам видно, что карбонат иногда сопровождается заметными количествами гипса (Са804-2Н20) и фосфатов.
Собирательное название - карбонатные отложения (по основному компоненту) или солевые отложения.
3. Различные силикатные отложения, содержащие Si02-xH20. Сюда относятся кремневая кислота, кристаллические силикаты - СаSi03, MgSi03, жидкое стекло, кварц - Si02-nH20, а также различные глины, содержащие, кроме Si02, дополнительно СаО, Na20, Mg0, Fe203, Al203 и др. Отдельный анализ силикатов - очень трудоемкий процесс, зачастую невозможен. на ИК-спектрах силикаты видны по основному компоненту - Si04 (тетраэдрический) и кристаллическому Si02.
4. Органические вещества. По ИК-спектрам видно, что это многофункциональные соединения, содержащие органический углерод (СН2), спиртовые группы (С-ОН), окисленные группы (С=О), ненасыщенные связи (-С=С-), ароматические фрагменты (С==С). В эту категорию попадают природные вещества - гуматы, фуматы, ил, торф и т.д.
Вместе с природными органическими веществами (гуминовые кислоты, гуматы, фуматы, ил, торф) из воды поверхностного водоисточника практически всегда оседают глины и песок. Собирательное название - илисто-глинистые отложения.
Кроме того, отмечается наличие углеводных остатков. Возможно, это продукты жизнедеятельности анаэробных и сульфатредуцирующих бактерий, которые живут и размножаются в воде теплосети.
Выводы
Проведено исследование состава и структуры образцов отложений из различных участков открытой тепловой сети города Набережные Челны. Для определения структуры и состава отложений использованы методики химического анализа и метод ИК-спектроскопии. Отложения наблюдаются в основном с внутренней поверхности трубопроводной системы. По составу это в основном железо-оксидные соединения (продукты коррозии конструкционного материала трубопроводов) с небольшим включением нерастворимых компонентов воды и корректирующих реагентов.
Summary
Investigation was carried out of composition and structure of precipitates from various sites open heating network of city Naberezhnye Chelny by chemical analysis and IR
spectroscopic methods, by taking samples tubes and precipitates structure analysis of solid precipitation was performed by IR spectroscopic method. All selected samples have s complicated chemical composition, consist of various corrosion products of structural materials and components of heat carrier.
Key words: power station, open heating network, precipitate, iron-oxide compounds.
Литература
1. Федеральный закон от 27.07.2010 г. № 190 - ФЗ «О теплоснабжении» (принят ГД ФС РФ 9.07.2010 г.) http://base.garant.ru/12177489/.
2. Кострикин Ю.М. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления / Ю.М. Кострикин, Н.А. Мещерский, О.В. Коровина. М.: Энергоатомиздат, 1990. 254 с.
3. Обработка воды на электростанциях. Под ред. В.А. Голубцова. М.: Энергия, 1966. 448 с.
4. Чичиров А.А. Исследование состава и структуры отложений в системе оборотного охлаждения ТЭС / А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, И.И. Галиев, Л.И. Гайнутдинова, А.Ю. Смирнов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. №7-8. С. 37-45.
5. Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений / К. Накамото. М.: Мир, 1966. 411 с.
6. Григорьева Т.Ф. Механохимическое взаимодействие оксид/металл / Т.Ф. Григорьева, С.В. Цыбуля и др. // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. 2006. Т. 12. №10. С. 4-8.
7. Григорьев А.И. Введение в колебательную спектроскопию неорганических соединений / А.И. Григорьев. М.: МГУ, 1977.
8. Столповская В.Н. Количественный анализ неглинисых минералов донных осадков озера Байкал и Хубсугул методом ИК-спектроскопии / В.Н. Столповская, Э.П. Солотчина, А.Н. Жданова // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. №6. С. 778-788.
9. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: пер. с англ / А. Смит. М.: Мир, 1982. 328 с.
Поступила в редакцию 28 января 2011 г.
Чичирова Наталья Дмитриевна - д-р хим. наук, профессор, заведующая кафедрой «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Чичиров Андрей Александрович - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Гиниятуллин Булат Анварович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-52.
Смирнов Андрей Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 554-84-50.
Матвеев Денис Юрьевич - ассистент кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 543-30-07. E-mail: denmatveev@inbox.ru.
