CC BY
68СТРОИТЕЛЬСТВО И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 620.193.28 :628.27:699.87
КОРРОЗИЯ БЕТОННЫХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТРУБ
Г.Я.Дрозд, М.Ю. Хвортова ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»
Аннотация. Рассмотрен вопрос коррозии бетонных и железобетонных канализационных трубопроводов. Показано, что процесс раннего и масштабного разрушения труб обусловлен специфической биологически активной средой, присущей только системам канализации. Повышение надежности и долговечности трубопроводных сооружений возможно путем учета их конструктивных особенностей (напорных, самотечных либо комбинированных) и применением коррозионно стойких материалов на потенциально опасных участках.
Ключевые слова: трубопровод, материал, коррозия, авария, надежность, долговечность.
Из 46 тыс. км канализационных сетей Украины на долю бетонных и ж/б трубопроводов приходится немногим более 28%. Как правило, это трубопроводы диаметром более 600 мм. Подавляющее количество бетонных коллекторов построено 30-40 лет назад. Опыт эксплуатации этих сооружений показал, что среднестатистический срок их безаварийной работы составляет 12,5 лет. Многие безаварийно эксплуатируются до сего дня, но имеются случаи раннего (4-5 лет эксплуатации) выхода из строя. Основными нормативными документами при проектировании бетонных коллекторов на тот период служили СНиП 2.04.03-85 "Канализация. Наружные сети и сооружения" и ряд более старых документов, которые в вопросах обеспечения долговечности трубопроводов отсылали к СНиП 2.03.1185 "Защита строительных конструкций от коррозии". Надо отметить, что СНиП по коррозии не содержал каких либо специальных требований по защите канализационных сооружений. Считалось, что городские сточные воды по своим коррозионным свойствам (жесткость воды, величина рН и содержание сульфатов - основным показателям, ответственным за I, II и III вид коррозии) не являются агрессивными к материалу труб, а вид и концентрация газообразных
веществ просто не учитывались проектировщиками. Ряд крупнейших аварий канализационных трубопроводов в период 1980-2000 годов (г.г. Курск, Москва, Актюбинск, Вознесенск, Ирпень, Харьков, Донецк, Луганск - в обследовании которых участвовал автор), показали, что существующие нормативы несовершенны [1-5]. Выявленные в результате комплексных исследований аварийных коллекторов закономерности образования агрессивной эксплуатационной среды нашли свое отражение в отдельных положениях нового ДСТУ [6]. В новый документ введено понятие биологически активная среда, степень агрессивности которой в зависимости от условий может изменятся от средне до сильно агрессивной. Это обстоятельство обязывает предусматривать защиту труб от коррозии. Биологически активная среда - это в принципе эксплуатационная внутритрубная среда, состоящая из сточной воды+микроорганизмы различных физиологических групп + воздушная среда, содержащая газы биогенного происхождения - С02, СН4, И28, КН3 и др. Все три компонента эксплуатационной среды ответственны как за
формирование агрессивной газовой среды, так и за процесс коррозии.
Рисунок 1 - Газовая коррозия железобетонного коллектора Б=1200мм после 4 лет эксплуатации. Донецк, 1993год.
Коррозия под действием биологически активной среды имеет свою специфику - разрушается сводовая часть самотечных трубопроводов (рис.1), поэтому коррозию называют газовой или газово-биогенной, подчеркивая причину образования газа.
Некоторые пункты упомянутого ДСТУ выписаны некорректно. Так в табл. Б.7: "Концентрацию Н28 определяют по опыту эксплуатации сооружений или рассчитывают по составу сточных вод и конструктивным характеристикам коллектора". Данное указание может поставить в тупик любого проектировщика. Поэтому следует пояснить некоторые моменты. Образование газов в коллекторах может происходить в следующих случаях:
- в напорных трубопроводах, которые играют роль анаэробного биореактора;
- в заиленых лотках самотечных трубопроводов, где создались анаэробные условия;
- в результате сочетания первого и второго случаев.
Жизнедеятельность микроорганизмов различных
физиологических групп в канализационных трубопроводах обуславливает микробиологические превращения загрязнений сточных вод. В лотковой зоне преобладают факультативно и облигатно анаэробные процессы.Так, белки и аминокислоты (сточные воды молочных, мясных производств, дрожжевых, пивзаводов) подвергаются гниению, сопровождающемуся выделением зловонных газов - сероводорода, меркаптана, метилмеркаптана, аммиака. Еще более мощным источником сероводорода в трубопроводах является другой микробиологический процесс - анаэробное восстановление сульфатов, а также сульфогрупп органических соединений сульфатредуцирующими бактериями. В результате
жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов образуются и другие виды биогенных газов (табл. 1).
Таблица 1 - Происхождение и состав газов в канализационных
сетях [инте рпретировано по 7]
Циклы элемен-тов Соединения Концентрация Микробиологичес-кие процессы, образующие газы
С02 , об.% 0,1 - 3,5 Микробиологичес-кая
Углерод СО, мг/м3 0 - 25 минерализация
СН4, об.% 0,2 - 6,0 Метаногенез
Сера Н2Б , мг/м3 0 - 500 Сульфатредукция
Б02 ,мг/м3 5 - 30 Хим. окисление Н2Б
Азот ЫН3 ,мг/м3 0 - 5,0 Аммонификация
N0* ,мг/м3 0 - 5,0 Денитрификация
Н2$ и Нв
;% 90
80 70 60 50 40 30 20 10
91.66 /г I
1
1 1
/
52 •3
/
1 Г '2$
1 1
1 9.1 1
) *
Концентрация газов в подсводовой атмосфере
трубопровода определяется дегазацией водного потока. Дегазация зависит как от гидравлики потока сточной жидкости (турбулентности и скорости воды, которые обусловлены местными
сопротивлениями, перепадами и изменением уклонов отдельных участков
трубопровода), так и от физико - химических параметров воды-
температуры и величины рН. С повышением температуры воды снижается
растворимость в ней газов, а с понижением величины рН в воде преобладает сероводород в молекулярной форме (рис.2).
4 5 6 7 8 9 рН
концентрации в воде И28 и Ш" от рН.
Рисунок 2- Зависимость
В самотечных коллекторах происходит движение двух фазовых потоков: сточной жидкости по уклону труб и встречного потока газовоздушной массы над поверхностью воды. В результате постоянной А 1 - разницы температур между воздушной средой и поверхностью сводовой части труб на последней образуется конденсат. В нем на влажной поверхности сводовой части труб развиваются серобактерии, в частности - тионовые (рис.3).
с" -
■о -
« •
' I»
# »4
VI
ж
I»
А'
»V-
г.Г' . • '
Рисунок 3- Электронная фотография тионовой бактерии [ 8 ] и прямое микрокопирование повехностной биопленки бетона.
Кислород воздушной атмосферы подсводового пространства для биопленки микроорганизмов создает аэробные условия, где под действием серобактерий протекают микробиологические процессы преобразования сероводорода в серную кислоту:
Н25 + ^ О 2 ^ Н20 + Б0;
б 0 + у2 02 + Н 20 ^ Н 2 Б04;
2 Оз2
+ 2О2 + Н2О ^ 2£О42-
+ 2 Н4
Именно серная кислота, как продукт биогенно активной среды, является агрессивным агентом в разрушении бетонных и железобетонных трубопроводов канализации. В табл. 2 приведены параметры агрессивности биогенно агрессивной среды.
Как следует из таблицы, биологический фактор для канализационных трубопроводов эквивалентен действию на материал ограждающих конструкций сильных кислот.
При микробиологическом образовании серной кислоты происходит конкуренция двух процессов - скорости окисления сероводорода кислородом воздуха (при участии микроорганизмов) и скоростью удаления газообразного сероводорода из подсводового пространства за счет естественной вентиляции. При преобладании второго процесса степень агрессивности эксплуатационной среды может быть снижена , правда за счет ухудшения экологической ситуации окружающей среды (выброс в атмосферу канальных газов).
Такова упрощенная трактовка развития аварийной ситуации на канализационных трубопроводах. Показательным примером может служить разрушение железобетонного коллектора Б=1200...1500 мм (рис.4).
Таблица 2 - Сопоставление агрессивности растворов серной кислоты и сероводородной газовой среды
Сернокислотная коррозия Сероводоро дная коррозия Степень агрессивности
Концен трация Н2Б04 рн раствора Скорость коррозии бетона Концент
мм/го д см, за 50 лет рация Н2 Б, мг/м3 (газовая фаза)
1Н* 0,16 40,0 200 500
0,1Н 1 10,0 50 135 Сильная
0,01Н 2 2,5 12,5 35
0,001Н 3 0,6 3,0 8 Средняя
0,0001Н 4 0,3 1,5 4
0,00001Н 5 0,08 0,4 2 Слабая
0.00001Н 6 0,05 0,25 1
Примечание: Н - нормальность раствора серной кислоты
От насосной станции (КНС) стоки транспортировались по напорному трубопроводу длиной 11км до камеры гашения (дегазации) со скоростью 0,2...0,3 м/с примерно в течение 12 часов. За это время количество сульфидов в сточной воде за счет микробиологических процессов возросло более чем в 10 раз. В камере дегазации произошло частичное освобождение потока от растворенных газов. Дальнейшее движение потока осуществлялось по самотечному коллектору длиной 3,6 км, на котором кроме смотровых колодцев из-за рельефа местности был устоен каскад из 17 перепадов высотой от 0,4 до 3м. В некоторых колодцах располагались подключения боковых коллекторов со стоками предприятий, имеющие температуру на 10-20 С выше температуры воды основного потока. Такая конструктивная особенность трубопровода предопределила дегазацию потока по всей длине коллектора с массовыми обрушениями труб после перепадных колодцев и колодцев с подключениями горячих стоков. Скорость коррозии бетона составила 40мм/год, а эксплуатационная "жизнь" сооружения - 4 года (рис.1).
Рисунок 4 - Схема разрушения канализационного коллектора
Неоходимо отметить в данном случае еще один конструктивный просчет проектировщиков. Для обепечения проветривания надводной части трубопровода были предусмотрены вентиляционные стояки над
КНС Щ т-Ц
0 " 1НЪ о 0 00-0 «00000000000 (ЫКОЖХКЮ
А
¿У О" Колодец и трубопровод
{лЧч* в переладной голоден
173.0 * Вентиляционный стояк
л к и I*
у Место образования провалов
-00 000-0® о-мнию-о
перепадными колодцами. Однако неправильно была запроектирована водобойная часть колодцев с незатопленным прыжком воды. При этом перед отводящим трубопроводом образовывалась водовоздушная завеса, своеобразная пробка, препятствующая нормальной вентиляции подсводового пространства труб и способствующая увеличению концентрации газов.
Выводы.
Долговечность железобетонных канализационных коллекторов зависит от внутренней эксплуатационной среды, потенциальную агессивность которой обуславливают конструктивные решения всего сооружения. При грамотном учете всех неблагоприятных факторов и использовании конструктивных мероприятий для подавления агрессивного газообразования при проектировании, строительстве и эксплуатации коллекторов можно добиться безаварийной работы этих сооружений из традиционного железобетона на протяжении задекларированных ДСТУ [6] 50 лет. В случае же учета только опыта аварийных коллекторов железобетон необходимо заменять полимерными или пластиковыми материалами.
Список использованных источников
1. Иванов Ф.М., Дрозд Г.Я. Бетонные и железобетонные коллекторы//Водоснабжение и санитарная техника., №2,1988. - с.8 -10.
2. Иванов Ф.М., Дрозд Г.Я. Долговечность бетонных и железобетонных коллекторов// Бетон и железобетон.,№12,1989, - с.32-33.
3. Иванов Ф.М., Дрозд Г.Я. О сроках службы железобетонных коллекторов// Бетон и железобетон.,№2,1992. - с.25-26.
4. Шилин А.А., Дрозд Г.Я. и др. Состояние коллекторных и канализационных сетей Москвы и Украины // Подземное пространство мира, № 3-4,1995. - с.109-110.
5. Дрозд Г.Я., Зотов Н.И. и др. Про необхвдшсть удосконалення вичизняих буд1вельних норм // Буд1вництво Украши., №1, 2003. -с.31-33.
6. ДСТУ Б В.2.6 - 145:2010. Захист бетонних i зал1зобетонних конструкцш вщ корозп. Загальш техшчш вимоги (ГОСТ 31384:2008; NEQ). Кшв: Мшенергобуд Укра1ни, 2010. -52 с.
7. Юрченко В.А., Коваленко А.Н. и др. Образование экологически опасных газообразных соединений при транспортировании сточных вод канализационными сетями.// Коммунальное хозяйство городов, №74. -К:Техника, 2007. - с.68-73.
8. Андреюк А.А., Билай В.И., Коваль Э.З., Козлова И.А.
Микробная коррозия и ее возбудители. - К: Наукова думка, 1980. - 288 с.
Дрозд Геннадий Яковлевич, доктор технических наук, профессор, @таИ.ги
Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет Хвортова Марина Юрьевна,кандидат технических наук, доцент,
КИуог1оуа1995@таИ. ги Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет
CORROSION OF CONCRETE SEWAGE-PIPES
Drozd G., Khvortova M.
Annotation the question of corrosion of concrete and reinforce-concrete sewage pipelines is Considered. It is shown that the process of early and scale destruction of pipes is conditioned by a specific biologically lasant inherent only to the systems of the sewage system. Increase of reliability and longevity of pipeline building maybe by the account of their structural features (pressure or combined) and by application of corrosive proof materials on potentially dangerous areas.
Keywords: pipeline, material, corrosion, accident, reliability, longevity.
Drozd Gennadij Jakovlevich, doctor of technical Sciences, Professor, drozd.g @mail.ru, Russia, Orel, Orel State Agrarian University
Khvortova Marina Jurievna, candidate of technical Sciences, associate Professor, [email protected], Russia, Orel, Orel State Agrarian University
