CC BY
149
УДК 628.141
КОРРОЗИЯ ТРУБОПРОВОДОВ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ
© А.П. Андрианов1, В.А. Орлов2, В.А. Чухин3, Е.М. Серова4, М.А. Неверова5
Московский государственный строительный университет, 129337, Россия, г. Москва, Ярославское шоссе, 26.
Представлены результаты обследования коррозионных отложений на стенках стальных водопроводных труб, находящихся в эксплуатации сорок и более лет. Показано, что такие отложения снижают скорость коррозии, но увеличивают гидравлическое сопротивление в трубопроводах. Одним из путей обеспечения проектной пропускной способности и прочностных свойств старых стальных водопроводных труб может являться использование бестраншейных технологий, замедляющих или предотвращающих коррозионные явления. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: коррозионные отложения; трубопроводы; защитные покрытия; бестраншейные технологии.
PIPELINE CORROSION AND MEASURES ON ITS LOCALIZATION A.P. Andrianov, V.A. Orlov, V.A. Chukhin, E.M. Serova, M.A. Neverova
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia.
The article introduces the results of examining corrosion deposits on the walls of steel water-supply pipes being in operation for 40 years or more. These sediments are shown to reduce the corrosion rate but increase the hydraulic resistance of pipelines. A trenchless technology that slows or prevents corrosion phenomena is one of the methods to ensure the design capacity and strength properties of old steel water-supply pipes. 7 figures. 2 tables. 9 sources.
Key words: corrosion deposits, pipelines; protective coatings; trenchless technologies.
Коррозия водопроводных труб оказывает большое влияние на качество воды в распределительной сети населенных пунктов по двум направлениям: сплошная (общая) коррозия повышает содержание железа в питьевой воде, а язвенная (питтинговая) влияет на долговечность труб и является наиболее частой причиной аварий. Согласно классификации, приведенной в [1], повреждения на стальных трубах Московского водопровода в виде свищей составляют 93%.
За последние годы изучению процессов коррозии водопроводных труб стали уделять меньше внимания ввиду того, что новые сети прокладывают из труб, имеющих как внутреннее, так и наружное антикоррозионное покрытие, или же используют трубы, изготовленные из материала, не подверженного коррозии.
Широкое применение для строительства подземных трубопроводов хозяйственно-питьевого, промышленного водоснабжения и напорной канализации в Москве получили стальные трубы с покрытием, работающие под давлением до 1,2 МПа. Покрытие представляет собой цементно-песчаный раствор, нанесенный под высоким давлением специальным насосом с центробежной головкой на внутреннюю поверхность труб и фасонных частей. Эффективность защиты тем лучше, чем плотнее структура покрытия. Чугунные трубы из высокопрочного шаровидного графита, также используемые для прокладки наружного водопровода, обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со стальными. Однако для водопроводных сетей, проложенных из стальных труб без покрытия в
1Андрианов Алексей Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, тел.: 89163549941, e-mail: nirs-a@yandex.ru
Andrianov Aleksei, Сandidate of technical sciences, Аssociate Professor of the Department of Water Supply, tel.: 89163549941, e-mail: nirs-a@yandex.ru
2Орлов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой водоснабжения, тел.: 4991833629, 89175384316, e-mail: orlov950@yandex.ru
Orlov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Water Supply, tel.: 4991833629, 89175384316, e-mail: orlov950@yandex.ru
3Чухин Валентин Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры водоснабжения, тел.: (499) 1833629, e-mail: sigma85@yandex.ru
Chukhin Valentin, Сandidate of technical sciences, Аssociate Professor of the Department of Water Supply, tel.: (499)1833629, e-mail: sigma85@yandex.ru
4Серова Евгения Михайловна, магистрант, тел.: (499) 1833629, e-mail: lae_r@rambler.ru Serova Evgeniya, Master's Degree student, tel.: (499) 1833629, e-mail: lae_r@rambler.ru
5Неверова Мария Андреевна, старший преподаватель кафедры водоснабжения, тел.: (499) 2611947, 89168010423, e-mail: neveramaria@yandex.ru
Neverova Maria, Senior Lecturer of the Department of Water Supply, tel.: (499) 2611947, +79168010423, e-mail: neveramaria@yandex.ru
условиях массового жилищного строительства 30-40 лет назад и занимающих значительное место в структуре водопроводной сети, требуется учитывать влияние коррозионных процессов, происходящих в системе водоснабжения, так как для этих труб закончился нормативный срок эксплуатации и они находятся в зоне риска по отказам. Аварии на трубопроводах, связанные с коррозией, носят, как правило, случайный характер. Поэтому установление причин, предшествующих наступлению аварийной ситуации, позволило бы более эффективно проводить ремонтно-восстановительные работы.
В настоящей статье проведена оценка состояния магистральных трубопроводов в зоне влияния Западной (ЗСВ), Новозападной (НЗСВ) и Юго-Западной (ЮЗСВ) водопроводных станций Москвы, срок эксплуатации которых превышен практически в два раза. После очистки, которая помимо традиционных сооружений, таких как горизонтальные отстойники и скорые фильтры, включает озоносорбцию (ЗСВ) и ультрафильтрацию (ЮЗСВ), вода по всем показателям соответствует требованиям нормативным документов. На выходе из сооружений очистки вода обрабатывается гипохлоритом натрия.
Контроль за состоянием трубопроводов и работой водопроводной сети производится центром технической диагностики ОАО «Мосводоканал» с помощью телеинспекции, ультразвуковой толщинометрии, снятия гидравлических характеристик, а также выявления повреждений дефектоскопами, трассоискателями, течеискателями, шумомерами, локаторами и другими приборами.
Визуальная оценка состояния внутренней поверхности трубопровода проводится путем использования телевизионных роботов. В этом случае подготовительные работы существенно упрощаются, так как соответствующий участок выведен из эксплуатации, опорожнен и нет препятствий к доступу и диагностике внутренней поверхности трубопровода. Перед проведением ТВ-обследования участок сети ставится «под напор» на период в 0,5-1,0 часа. Затем в обследуемый участок обеспечивается допуск самоходной ТВ-
камеры. Местоположение повреждения (места разгерметизации) определяется визуально, либо по инфильтрации воды внутрь трубопровода через свищ (фонтанчик, струйка, капель), либо непосредственно путем определения места перелома или расстыковки чугунного трубопровода. Рассмотренная технология используется как для стальных, так и для чугунных трубопроводов.
Вода Московского водопровода по своим коррозионным свойствам может быть отнесена к слабоагрессивным средам, что подтверждается расчетами индекса Ланжелье, средние значения которого составляют 0,3-0,4 в зимний период, а в летний период близки к нулю. На рис. 1 приведены фотографии внутренней поверхности трубопроводов, выполненные при проведении теледиагностики в зоне влияния ЗСВ и НЗСВ.
Отложения, образующиеся в трубах во время эксплуатации, можно разделить на две категории в зависимости от структуры и состава: подвижные осадки, локализованные в лотковой части труб, и неподвижные отложения, прочно закрепленные на стенках трубопроводов. Фотография подвижного осадка (рис. 1, а) получена с помощью телеробота перед проведением реновации трубопроводов.
Подвижный осадок состоит в основном из оксидов алюминия, железа, кремния, марганца и карбоната кальция. Осадок этой категории относительно легко удаляется из трубопроводов с помощью промывки различными методами: гидродинамическим, гидравлическим, гидропневматическим [2-5]. Наименее изученными являются твердые неподвижные отложения, образующиеся по периметру стальных и чугунных труб. На рис. 1, б показаны отложения на поверхности стальной трубы, бывшей в эксплуатации с 1969 года.
В 2012-2013 гг. в лаборатории кафедры водоснабжения МГСУ были проведены исследования по определению структуры и состава коррозионных отложений четырех образцов стальных труб, находящихся в эксплуатации более 30-40 лет. Данные обследования образцов стальных труб приведены в табл. 1.
а)
б)
Рис. 1. Внешний вид стенок трубопровода до проведения работ по нанесению защитного покрытия: а - подвижные отложения; б - неподвижные отложения
Таблица 1 Данные по обследованным образцам _стальных труб_
Образец Диаметр Год Наличие катодной
труб, мм укладки защиты
A 300 1976 Нет
B 300 1975 На отдельных участках
C 900 1969 Нет
D 1400 1976 Да
Коррозионные отложения образцов A, B и C -сплошные, плотные, но непрочные, слоистые, с бугристыми наростами размерами примерно 5х5 мм (образец B) и 25х50 мм (образцы А и С). Высота бугорков составляет 3-15 мм (образец А), 3-10 мм (образец B), 3-20 мм (образец С). Под слоем отложений поверхность стали имеет следы язвенной коррозии, у образца А глубина точечных язвенных повреждений 1-3 мм и диаметр 2-5 мм, у образца Б глубина 0,5-1,5 мм и диаметр 2-20 мм, у образца С глубина 1-3 мм и диаметр 2-5 мм (рис. 2).
Коррозионные отложения на внутренней поверхности трубы образца D, находящегося под катодной защитой, значительно отличаются от коррозионных отложений других образцов - они сплошные, очень плотные и прочные, со слоистой структурой и плоски-
ми наростами. Высота уцелевших при демонтаже образца бугорков - 1-3 мм. Стальная поверхность под слоем отложений также имеет следы коррозии, но повреждения плоские с размерами от 5х5 до 15х20 мм, глубина повреждений 0,5 мм, реже - 1 мм.
На рис. 3 приведена фотография образца бугорка, удаленного с внутренней поверхности трубы С. В соответствии с классической морфологией бугристые отложения, описанные еще Бейлисом в 1926 году [6], включают пористое ядро, состоящее из мягкого вещества, слой твердой оболочки и поверхностный слой (рис. 3). Твердая оболочка, перекрывающая основное ядро, имеет толщину от одного до нескольких миллиметров и обычно состоит из Fe3O4 и FeOOH. Твердая оболочка способствует стабилизации бугорковой структуры и сводит к минимуму контакт ядра бугорка с основным объемом воды в трубах. Внешний или поверхностный слой, когда он существует, имеет толщину до одного миллиметра [7]. Ядро состоит из более мягкого материала, образованного соединениями FeOOH, Fe3O4, Fe2O3, FeCO3, и способно выделять в водопроводную воду двухвалентное железо [8]. Элементный состав ядер обследованных образцов труб, выполненный с помощью электронного микроскопа Quanta 250 FEI, приведен в табл. 2.
Рис. 2. Фотографии внутренней поверхности образца С трубопровода до (слева) и после (справа) снятия слоя
коррозионных отложений
а)
б)
Рис. 3. Поперечный срез бугорка (а, образец С) и микрофотография подошвы бугорка (б, образец D), полученные с помощью оптического микроскопа. На срезе по краю просматривается тонкий слой эпоксидной смолы, используемой для фиксации и обработки образца. Максимальная высота бугорка 6 мм, диаметр 10 мм
Таблица 2
Элементный состав ядра исследованных образцов
Образец Элементный состав, % от массы
С О А1 Б1 Ре Р Б Са № + К С1
А 9-12 43-47 12-22 6-12 9-26 < 2 - 1,5-2 1-2 -
В 8-11 23-37 8-14 3-12 32-56 0-0,6 0-0,3 1-4 До 0,6 До 1,1
С 0-10 32-40 6-15 2-5 31-54 0,4-1,4 0-1,1 0,5-1,5 0,6 0-2
й - 35-42 9-12 14-26 24-40 0-0,5 - 0,3-0,9 1,4 (Мд) 0,7-1,5 -
На основании изучения внутренней поверхности трубопроводов, находящейся под слоем коррозионных отложений, можно сделать вывод, что высота наростов не связана напрямую с глубиной язвенных повреждений. Тем не менее, общее количество наростов и плотность коррозионных отложений на поверхности трубы отражают степень ее коррозионного повреждения. Наличие язвенных повреждений глубиной до 3 мм небольшого диаметра (образцы В и С) не снижает прочностных характеристик труб при толщине стенки 8 мм и более. Исходя из срока эксплуатации, скорость коррозии для обследованных образцов составила 0,014-0,064 мм/год.
Следует отметить, что при наличии на стенках трубопровода диаметром 300 мм плотного коррозионного слоя толщиной 20 мм внутреннее поперечное сечение сужается на 24,9%, что ведет к дополнительным затратам электроэнергии на подачу расчетного расхода воды. Кроме того, бугристая поверхность осадка способствует накоплению взвешенных частиц и образованию биопленки. Поэтому, несмотря на имеющийся относительный запас прочности, который может быть оценён в 5-10 лет и более, такие трубопроводы подлежат замене или санации с восстановлением прочностных и гидравлических характеристик.
Одним из методов восстановления структуры внутренних стенок ветхих трубопроводов, а также замедления или предотвращения коррозионных явлений может служить их бестраншейный ремонт. В качестве метода восстановления работоспособности трубопровода может использоваться нанесение на его внутреннюю поверхность профилированного ленточного полимерного покрытия, формирующего внутри старого трубопровода цельную защитную оболочку по типу обсадной трубы [9]. Метод реновации сопровождается забутовкой образующегося межтрубного пространства цементно-песчаной смесью. Наличие цементно-песчаного раствора в межтрубном пространстве пре-
следует цель:
- создать жёсткость двухслойной трубной конструкции, предупреждая линейные удлинения сформированного в старом трубопроводе нового полимерного;
- обеспечить защиту внутренней поверхности стального трубопровода от дальнейшего развития коррозионных процессов, создавая на границе раздела сред «сталь-цемент» рН 12-14, при котором коррозия не проявляется.
Метод бестраншейной реновации путём навивки ленточного покрытия схематично представлен на рис. 4. В технологии навивки используются ленты из поли-винилхлорида (ПВХ) с торцевым замком и уплотнением, благодаря которому соединяющиеся концы профиля образуют герметичный механический затвор, способный противостоять мощным деформирующим силам.
Процесс формирования обсадной трубы можно разделить на несколько этапов: диагностический осмотр с помощью телекамер; очистка восстанавливаемого участка трубопровода; реализация процесса навивки; заливка жидким цементно-песчаным раствором соответствующей консистенции кольцевого межтрубного пространства между старой и новой трубами.
Реализация процесса навивки заключается в подаче ленты через люк стартового колодца в навивоч-ную машину, располагаемую в восстанавливаемом трубопроводе со стороны стартового колодца. Нави-вочная машина придает профилю из ПВХ необходимую форму и соединяет его концы, образуя тем самым новую герметичную трубу. Навивочный процесс длится до тех пор, пока обсадная труба не достигнет конца восстанавливаемого трубопровода. В ходе процесса навивочная машина может быть стационарной или передвижной (рис. 4) по направлению к следующему (финишному) смотровому колодцу.
Рис. 4. Фрагмент реализации спирально-навивочной технологии при реновации трубопровода с помощью передвижной машины: 1 - бобина с бесконечной лентой; 2 - подлежащий реновации ветхий трубопровод; 3 - сформировавшаяся обсадная труба внутри ветхого трубопровода; 4 - самодвижущаяся навивочная машина; 5 - передвижное устройство для непрерывной подачи клеевого состава в замковые устройства
По завершении процесса навивки устанавливается крепежная система, обеспечивающая стабильность конструкции в период заливки раствора в межтрубное пространство. Крепежный материал опускается в трубопровод через стандартные люки смотровых колодцев. Процесс заливки раствором разделяется на процесс ввода связующего материала в кольцевое межтрубное пространство между существующей трубой и профилем ПВХ и процесс вулканизации высокопрочного связующего раствора. Уникальная ребристая структура профиля способствует его эффективной фиксации в растворе. Впоследствии вспомогательные элементы крепежной системы удаляются из колодцев и отремонтированный трубопровод принимается в эксплуатацию.
Выводы:
1. Приведены результаты обследования коррозионных отложений на стенках стальных водопроводных труб, находящихся в эксплуатации 40 и более лет,
которые показали, что отложения, с одной стороны, снижают скорость кислородной коррозии, а с другой стороны, увеличивают гидравлическое сопротивление трубопроводов и расход электроэнергии на перекачку.
2. По результатам плановой комплексной диагностики принимается решение по проведению реновации трубопровода с целью обеспечения его проектной пропускной способности и прочностных свойств, которые могут быть обеспечены использованием бестраншейных технологий.
3. В качестве одного из методов восстановления структуры внутренних стенок старых трубопроводов, а также замедления или предотвращения коррозионных явлений может служить их ремонт комбинированным бестраншейным методом с использованием формируемого в старом трубопроводе полимерного защитного покрытия и заполнения образующегося межтрубного пространства цементно-песчаным раствором.
Статья поступила 04.06.2014 г.
Библиографический список
1. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М.: Стройиздат, 2005. 398 с.
2. Vreeburg J.H. G., Boxa J. B. Discolouration in potable water distribution systems // Journal of Water Research. 2007. V. 41. Issue 3. Р. 519-529.
3. Vreeburg J.H. G., Schippers D., Verberk J. Q. J. C., van Dijk J.C. Impact of particles on sediment accumulation in a drinking water distribution system // Journal of Water Research. 2008. V. 42. Issue 16. Р. 4233-4242.
4. Husband P.S., Boxa l l J. B. Asset deterioration and discoloration in water distribution systems // Journal of Water Research. 2011. V. 45. Issue 1. Р. 113-124.
5. Lehtola M. J., Nissinen T. K., Miettinen I.T., et al. Removal of soft deposits from the distribution system improves the drinking water quality // Journal of Water Research. 2004. V. 38. Issue 3. Р. 601-610.
6. Baylis J.R. Prevention of corrosion and red water // Journal of Water Works Assoc. 1926. V. 15. Р. 598-633.
7. Gerke T.L., Maynard J.B., Schock M.R., Lytle D.L. Physio-chemical characteri_zation of five iron tubercles from a single drinking water distribution system: possible new insights on their formation and growth. // Journal of Corrosion Science. 2008. V. 50. Issue 7. Р. 2030-2039.
8. Sarin P., Snoeyink V.L., Bebee J., Jim K.K., Beckett M.A., Kriven W.M., Clement J.A. Iron release from corroded iron pipes in drinking water distribution systems: effect of dissolved oxygen // Journal of Water Research. 2004. V. 38, Issue 5. P. 12591269.
9. Ишмуратов Р.Р., Степанов В.Д., Орлов В.А. Опыт применения бестраншейной спирально-навивочной технологии восстановления трубопроводов на объектах Москвы // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 6. С. 27-32.
УДК 693.542
ПЕНОБЕТОН, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МИКРОКРЕМНЕЗЕМОМ ЗАО «КРЕМНИЙ»
1 9
© А.А. Баранова1, А.И. Савенков2
Ангарская государственная техническая академия,
665835, Россия, Иркутская область, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.
Изложены результаты исследования влияния микрокремнезема на прочность, теплопроводность и влажность неавтоклавного пенобетона. Установлено, что его введение совместно с гиперпластификатором на основе поли-карбоксилатов «МС-Рсмег-Р1см-3100» позволяет увеличить прочность при сжатии неавтоклавного пенобетона более чем в 3 раза по сравнению с контрольными образцами. При этом теплопроводность материала с добавками изменяется незначительно. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: микрокремнезем; теплопроводность; влажность; прочность; неавтоклавный пенобетон; гиперпластификатор.
1Баранова Альбина Алексеевна, старший преподаватель кафедры промышленного и гражданского строительства, тел.: 89086509788, e-mail: baranova2012aa@mail.ru
Baranova Albina, Senior Lecturer of the Department of Industrial and Civil Construction, tel.: 89086509788, e-mail: barano-va2012aa@mail.ru
2Савенков Андрей Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства, тел.: 89086511515, e-mail: savenkov_andrey@mail.ru
Savenkov Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial and Civil Construction, tel.: 89086511515, e-mail: savenkov_andrey@mail.ru
