Мерки за ограничаване на корозията на метални тръби в пречиствателна станция за инфилтратни води
Изтегляне 199.39 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- Мерки за ограничаване на корозията на метални тръби в пречиствателна станция за инфилтратни води Петя Генчева 1 , Теодора Христова 2
- Ключови думи
- Abstract.
- Keywords
- Видове корозионни поражения
- Фиг 1. Метални детайли обхваната от обща корозия Състав на средата
- Влияние на рН на средата
- Разлика в концентрациите на деполяризатора или пасиватора
- Подбор на подходящ материал
- Обработка на повърхността
| ГОДИШНИК НА МИННО-ГЕОЛОЖКИЯ УНИВЕРСИТЕТ “СВ. ИВАН РИЛСКИ”, Том 58, Св. II, Добив и преработка на минерални суровини, 2015
ANNUAL OF THE UNIVERSITY OF MINING AND GEOLOGY “ST. IVAN RILSKI”, Vol. 58, Part ІI, Mining and Mineral processing, 2015 Мерки за ограничаване на корозията на метални тръби в пречиствателна станция за инфилтратни води Петя Генчева1, Теодора Христова2 1 Минно-геоложки университет „Св. Ив. Рилски”, София 1700, Студентски град, p.gench@gmail.com 2 Минно-геоложки университет „Св. Ив. Рилски”, София 1700, Студентски град, teodora@mgu.com РЕЗЮМЕ. Изследвана е корозия на стоманени тръби, работещи в пречиствателна станция за инфилтратни води на територията на ОП „СТОЛИЧНО ПРЕДПРИЯТИЕ ЗА ТРЕТИРАНЕ НА ОТПАДЪЦИ“ район Садина. Определени са основните корозионно-действащи агенти, чрез проведения химичен анализ и pH на инфилтратните води. На база на инспекция на съоръженията и анализ на повърхността на стоманените детайли може да се приеме, че преобладава обща корозия (съгласно типа на разрушение) и електрохимична корозия с кислородна деполяризация (съгласно механизма на корозия). Предложени са мерки за ограничаване на корозията, съобразени с условията на експлоатацията им. Проучени са методите за мониторинг на състоянието на металните съоръжения и на средствата за защитата. Получените резултати и предоставената научно-приложна информация ще подпомогнат превенцията на корозионите процеси и ще ограничат преждевременното излизане от експлоатация на апаратурата, ще допринесат за намаляване на престоите при аварии и предотвратяване на финансови загуби. Ключови думи: стоманени тръби, корозия, мониторинг за борба с корозията. MEASURES TO REDUCE CORROSION OF METAL PIPE TREATMENT PLANTS INFILTRATED WATERS Petya Gencheva1, Teodora Hristova2 1 University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia, p.gench@gmail.com 2 University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, 1700 Sofia, teodora@mgu.com Abstract. Studied corrosion of steel pipes operating in purification station for infiltrated water in the „Municipal enterprise for waste treatment”. Defined are the major corrosive agents, by conducted by chemical analysis and pH. Based on the inspection of equipment and surface analysis of steel parts can be assumed that the predominant uniform corrosion (according to the type of destruction) and electrochemical corrosion with oxygen depolarization (according to the mechanism of corrosion). Proposed methods to limit corrosion, comply with conditions of their operation. Proposed methods for monitoring of metal, equipment and protection. Results from scientific practical information will help prevent processes of corrosion and reduce untimely damage to the equipment will help reduce downtime in emergencies and prevent financial losses. Keywords: steel pipe, corrosion monitoring to combat corrosion. Увод Корозионното разрушение при металите е следствие на деструктивни изменения на структурата на метала под въздействие на агресивни среди. Агресивната среда взаимодейства с материалите и ги разрушава в резултат на физични, химични и физико-химични процеси. С развитието на промишления потенциал и увеличаване на масата на използваните в света метали нарастват и загубите от корозия. Темповете на увеличаване на корозионните загуби във всички страни обаче започнаха да изпреварват темповете на нарастване на металния фонд. Така например в САЩ общите загуби от корозия за 20 години (от 1955 до 1975) са се увеличили 7-8 пъти, докато производството на стомана за същия период е нараснало само с около 20%. Подобно е положението и в другите промишлено развити страни. На първо място това се обяснява с измененията в самата структура на металния фонд. През последните 30 - 40 години особено силно се развиха такива металоемки промишлени отрасли като химическата, нефтохимическата, целулозно-хартиената, нефтодобивната и газодобивната промишленост, цветната и черната металургия, топло- и атомната енергетика, авиацията, ракетостроенето и др., за които са характерни силно агресивни среди, високи температури, налягания и скорости на потоците, т.е. фактори, способстващи за развитието на корозионните процеси. За тези отрасли корозионната устойчивост на конструкционните материали определя до голяма степен надеждността и срока за експлоатация на технологичното оборудване и гарантира непрекъснат производствен процес. Така например в химическата промишленост корозията е причина за около 60% от случаите на преждевременно излизане на оборудване от строя, а относителният дял на корозионните загуби в този отрасъл е около 3 пъти по-висок от средния за цялото национално стопанство. Освен това корозията на металите при естествени условия, където се експлоатира по-голямата част от металния фонд, става все по-интензивна поради нарастващото замърсяване на атмосферата, почвата и водите с корозионноактивни вещества и промишлени отпадъци. Не на последно място причина за увеличаване на абсолютната стойност на корозионните загуби са и растящите цени на металите, което е свързано с поскъпването на суровините и енергията в световен мащаб. Обект на изследване Обект на разглеждане са стоманени тръби на територията на пречиствателна станция за инфилтратни води при ОП „СТОЛИЧНО ПРЕДПРИЯТИЕ ЗА ТРЕТИРАНЕ НА ОТПАДЪЦИ“ в местността „Садина”. Причините за корозия са различни: корозионно действащите агенти на средата, време/температурните разлики вследствие смяна на сезоните, атмосферата с богато съдържание на йони действащи агресивно на повърхностите слоеве на металните детайли. Съоръженията работещи на територията на пречиствателната станция са изложени на въздействието на среда с богато съдържание на азот амониев (NH4-N), органичен въглерод, сулфати, хлорид и кислород, което в съчетание с наличие на деполяризатори от въздуха създава условия за ускоряване на процесите окисление и възникване на оксидна покривка със слаби защитни свойства. В статията са предложени мерки за намаляване на корозионните разрушения и контрол на състоянието на тръбопровода въз основа на анализ на възможните корозионни поражения. По протежението си тръбопроводът преминава и през инфилтратните води и в пространства на водосборните басейни. Видове корозионни поражения В процеса на пречистването на инфилтрата в пречиствателната станция стоманените тръби и метални детайли работещи в близост или в пряк контакт с инфилтратните води са подложени на обща корозия следствие на корозионно действащи агенти в кондензирана фаза от водни пари, кислород и променливи климатични условия. На фигура 1 са представени метални детайли, чиято повърхност е силно засегната от корозия. Резултат от едногодишно действие на агресивната среда е намаляване на дебелината на стената на тръбите с 1 мм. 
Фиг 1. Метални детайли обхваната от обща корозия Състав на средата Химичния анализ на инфилтрата (Таблица 1) показва съдържание на хлорни йони, което е в достатъчна концентрация, че да разруши пасивиращия слой. В случая хлорът влиза в реакция със стоманата, образувайки междинен железен хлорид (FeCl2). На тези места, стоманата се активира като силен анод, а близко разположената все още пасивна повърхност формира катод. Хидролизата на железния хлорид произвежда солна киселина (HCl) и резултатът е корозия под формата на локализирано надупчване. След поява на вдлъбнатина в стоманата, киселата среда поддържа активността, подпомага по-нататъшната корозия и увеличава дълбочината им. В местата със заварки е възможно да настъпи стрес корозия. Таблица 1. Състава на инфилтрата обработван в пречиствателна станция ОП "Столично предприятие за третиране на отпадъци" местността „Садина”.
Влияние на рН на средата При електрохимичната корозия рН на средата е съществен външен фактор. Влиянието на рН върху скоростта на корозия на желязото се определя от характера на деполяризиращия процес и от химичната устойчивост на образуваните корозионни продукти. В неокислителни киселини корозията на желязото се извършва почти изцяло с водородна деполяризация при кинетичен контрол на процеса, докато в неутрални разтвори тя протича с кислородна деполяризация и в повечето случаи се контролира от дифузията на кислорода към металната повърхност. Средната стойност на рН за едногодишен период (Таблица2) на инфилтратни води третирани в пречиствателната станция е pH 7,9, а на смесен поток инфилтратни води е със средна стойност е pH 7,73. Таблица 2. Стойности на рH за инфилтратни води от депо „Садината“ и смесен поток.
В слабокисели и неутрални водни разтвори се образуват покривки от неразтворими вторични продукти на корозията (сложни хидратирани окиси - т. нар. "ръжда"), но със слаби защитни свойства. Разнородната инфилтратна смес, наличието на променлива киселинност и сезонни климатични промени затрудняват в голяма степен еднозначното решаване на проблема с корозията на металните съоръжения, работещи на територията на пречиствателната станция. Разлика в концентрациите на деполяризатора или пасиватора При наличие на неравномерен по дебелина слой електролит, върху металната повърхност се образува галваничен елемент на диференциална аерация. Участъкът, където концентрацията на кислород (респ. аерацията) е по-голяма се превръща в катод. Участъкът, до който достъпът на кислород е ограничен, става анод. Мерки за защита Съществуват различни мерки за борба с корозията, чиято цел е намаляването на риска от корозия до приемливо ниско ниво. Мерките за защита от корозия, които могат да се приложат на територията на пречиствателната станция за инфилтратни води са: обработка на средата чрез използването на инхибитори, въвеждане на метод за непрекъсната инспекция, избор на устойчиви метални сплави, нанасяне на защитно покритие. Инхибитор Обработката на корозионната среда с цел намаляване на нейното агресивно действие върху металите е получила голямо разпространение в промишлеността като метод за защита от корозия. Понижаване на корозионната агресивност на средата при електрохимична корозия може да се постигне посредством намаляване на съдържанието на деполяризатора и въвеждане на инхибитори на корозията (инхибиторна защита). Други мерки за ограничаване на процеса на корозия чрез промяната на средата може да се постигне и при понижаване на температурата и концентрацията на агресивни йони в средата. Инхибиторната защита е целесъобразна при ограничен обем. За условията на пречиствателната станция, се обработват води с променлива обем и концентрация, поради тази причина поставянето на инхибитори не се препоръчва. Трябва да се отбележи, че за електролити с присъствие на хлорни йони има разработени инхибитори, но те не са подходящи за среди с бактериално пречистване. За избор на подходящ инхибитор, който не би повлиял на нитрифициращите бактерии предварително би трябвало да премине през лабораторни изпитвания. Подбор на подходящ материал Изборът на устойчив конструкционен материал изисква установяване на причините за корозия на металите, определяне характера на корозионната среда, вид на деполяризацията, оценяване влиянието на основните вътрешни и външни фактори на корозията. Прилагането на тези мерки е подходящо при ремонт или поставянето на нови тръби. Подходящи стомани за среда, съдържаща NH4-N и органични вещества, са със съдържание на легиращи елементи Cr, Si, Ni и Mo или така известните хром-никелови стомани или хром-никелови-молибденови стомани. Молибденът предотвратява петнистата корозия и тази в заварките. За избягване на образуване на петна е необходимо ниско съдържание на Cu. Важен компонент в легираната стомана е силицият, който способства образуването на стабилна кристална решетка, особено при метали работещи при високи температури. Металните съоръжения на територията на пречиствателната станция се експлоатират при нормални температурни условия, което не изисква висока концентрация на силициеви йони. За намаляване или прекратяване на интеркристална, стрес корозия и ефектът от т.нар. приплъзване се препоръчва изработването на металните детайли да бъде от сплав, легирана с азот (N), като по начина на производство се различават високо и ниско легирани стомани. Легирането може да се извърши в течно или в твърдо агрегатно състояние. Използваните за целта инсталации и методи са: индукционна пещ, електрическа пещ, аргонно-кислородна декарборизация (AOD), газ от прочистване от разтопен метал, електрошлаково претопяване под налягане, дъгошлаково топене, дъгоплазмено топене и топене под високо налягане с HIP Balachandran (2004). Тези манипулации се извършват в производствени условия и водят до заздравяване на структурата на кристалната решетка, с което се намалява скоростта на стареене на стоманата при условие, че азотът е в достатъчна концентрация. С нарастващото използване на високо-N неръждаеми стомани, ефектите от азотната корозия са били обект на много интензивни изследвания. Резултати от изследванията на много от учените са нееднозначни и стигат и до противоположни изводи. Така например е установено, че устойчивостта на корозия на стоманата намалява след като N (азот) надвишава определено ниво. Проучване на Speidel (1991) предполага, че корозионният потенциал се увеличава линейно с азотното съдържание. От друга страна е изследвано, че в такива стомани при влияние на амониева среда се образуват NO2 и NO3, които действат като инхибитори. В крайна сметка за разглеждания тръбопровод е обобщено, че отрицателно заредени азотни йони не бива да се прибавят в оксидния слой на стоманата, при наличие в контактна среда на Cl- и други вредни йони, защото започват процеси на репасивация. Последното изследване доказва, че за условията в пречиствателната станция е подходяща азот-легирана стомана, а не оксидно покритие със съдържание на азот. Освен вида на легиращите елементи е важно да се отбележи и фазата, в която те са разположени. За дуплексни стомани като аустенит и ферит, за условия на амониева среда, е подходяща S фаза, получена чрез легиране с азот. Азотирането трябва да се извършва при ниски температури чрез плазмено азотиране, магнетронно разпрашване K. Loa (2009) или плазмено потапяне за йонна имплантация, защото при температури над 5000С се получават нитриди на хрома. Това ще повиши износоустойчивостта и ще намали корозионната устойчивост. Фазата на S може да се образува само ако Fe, Cr и Ni присъстват, без да е необходима аустенитна микроструктурата тип FCC. При тази фаза стоманата има добра износоустойчивост, съпротивление на корозия и твърдост. Последното свойство е важно поради вероятността от ерозия. Премахването на примеси (P и S) е ефективен начин за повишаване на устойчивостта и избягване от други проблеми като интеркристална корозия и крехкост на метала. Въпреки, че P може да бъде от полза при някои обстоятелства, например повишаване на корозионната устойчивост чрез образуването на фосфати, които улесняват пасивацията. В разглеждания пример средствата за предотвратяване на разпространение на интеркристалните пукнатини, известно като „пълзене” е легиране с итрий, с B и Се, като последните увеличават устойчивостта срещу кавитация. Предполага се, че има риск от микробиологично индуцирана корозия (MIC), която причинява образуване на язви или разтваряне на ферита и аустенита в структурата на стоманата F. Kajiyama (1997). Следва да се отбележи, че с високите нива на N, неръждаемите стомани са склонни към MIC, особено в присъствието на нитрифициращите бактерии K. Loa и сътрудници (1991). Добавянето на Si и Ag придават антибактериално свойство, но това важи в по-голяма степен за инсталации, работещи при пречистване на питейна вода. Въз основа на направения анализ за необходимите легиращи елементи в стоманата могат да се препоръчат следните марки стомана 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 07Х13АГ20, които са заместители на стомани тип Х18Н10Т в среди с относително слаба агресивност. Обработка на повърхността Освен легиране на наноструктуриране, за намаляването на образуване на биофилм, при експерименти е доказано, че ефективни методи за обработка на повърхността на стоманите са пясъкоструене плюс термично окисление. За засилване на антикорозионните свойства на метала може да се приложи предварителна обработка при висока температура или високо налягане, което допринася за стабилност на микрозърнестата структура на стоманата. Нов метод за рафиниране на феритни неръждаеми стомани е диспергиране на оксиди във феритна матрица или валцуване при по-ниски температури. При обработване с пулсиращи магнитни полета, прибавяне на няколко легиращи елемента или създаване на Hall-Petch връзки, стоманата придобива фина структура, което спомага за придобиване на корозионна устойчивост и намаляване на интеркристалната корозия. Подобряват се и механичните характеристики. Способността да се образува оксиден наноструктуриран слой също може да намали значително електрохимичното взаимодействие между субстрата и околната среда. Друга техника е Laser обеззаразяването на неръждаеми стомани. Чрез него се отстранява повърхностния оксиден слой на неръждаеми стомани P. Psyllaki (2000), намалява се микробното замърсяване и се повишава устойчивостта на повърхността срещу развитие на язви. Въвеждането на въглерод в структурата на стоманата, без да се получава образуване на карбиди, които понижават корозионната устойчивост. За извършване на тази процедура има различни технологии, но резултат от тях е подобряване на различни механични свойства, повишаване на твърдостта и пластичността, както и удължаване на експлоатационния срок на стоманата. Образуването на пасивиращ слой под въздействието на променлива поляризация между водород и кислород, излагане на UV светлина или електрополиране води до намаляването на развитие на локални разрушения. Като материали се използват аргон, натриев нитрат или фосфат. Техниките на закаляване трябва да се правят така, че структурата да не се насища с водородни атоми. Те предизвикват трошливост, стрес корозия и имат свойството да „избутват” от кристалната решетка някои от легиращите елементи или да образуват „мехури”. Тези свойства се нарича сенсибилизация. G. Plaumbo и сътрудници (1990) предотвратяват сенсибилизацията, чрез понижаване на съдържанието на въглерод и карбиди чрез добавянето на Ti, Nb и Ni или никелови сплави. P. Lin и сътрудници (1995) работят с аустенитни неръждаеми стомани чрез термомеханично лъчение, защото утаяването на карбиди, зависи от естеството на границата на зърното. От проведени изследвания върху AISI316L и AISI304L се установява, че в податливата на ерозия стомана обработена чрез тези методи се намалява интеркристалната корозия D. Wasnik и сътрудници (2002), което е друга алтернатива за обработка на повърхността на метала. Защитни покрития Обработката на стоманата включва и образуването на окисни покрития чрез прилагането на различни технологии. При предприемане на мерките за защита е важно да се отбележи, че окисният слой не трябва да има прекомерно голяма дебелина, защото е възможно да се отслои, особено във феритните високотемпературно валцувани структури. Причината е в голямата твърдост на хромовите оксиди. Средство за подсилване на оксидните покривки е поставянето на изолационни покрития, чиято адхезия се подобрява чрез използване на свързващи вещества. Те се прибавят за защита на връзките, за предотвратяване на натрупването на влага и замърсявания. Служат и като резервоар на инхибитори. Материалите за уплътнение се прилагат за предотвратяване на изтичането на различни флуиди, но също така те намаляват натрупването на влага. Свързващите вещества трябва да са еластични и да позволяват лесен демонтаж на отделните части на съоръжението. За целта се използват различни гуми. Те се втвърдяват достатъчно, за да могат да се боядисат, но остават достатъчно гъвкави, че да не се напукат. Най-често се използват полисулфидни, съдържащи инхибитори, уплътняващи материали. Те са особено ефективни, когато се използват за защита на връзки в съоръжения, работещи във влажни условия и за изолиране на различни метали един от друг. Предвид факта, че антикорозионната защита е наука от началото на миналия век, непрекъснато се разработват нови покрития, както и методи за поставянeто им. Така изолациите от един и същи материал имат различни механични и химични защитни свойства. Като материал за облицовка, подходящ за амониевата среда, се предлага полистирол, стъклопласти, епоксидни полимери, текстолит, силиконови каучуци и други. За избор на подходяща изолация може да се оценят предложените варианти спрямо БДС 15704-83, БДС 15705-83 или други критерии за избор. Такива могат да са класациите на критерии според честотата на възникване на аварии:
Поради многообразието от изолационни материали и необходимостта те да отговарят на изброените критерии категоричен избор може да се направи след реално тестване на образци с предложените покрития. За допълнителна защита на съоръженията с нанесени покрития се използва електрохимическата защита. Поради спецификата на средата, възможността за допира на хора и нарушаване на правилата за безопасност на труда, методът е неприложим Иванов и съавтори (2011). Инспекция и мониторинг Независимо от приложените мерки за защита по време на експлоатация е необходимо отговорно провеждане на инспекции за установяване на състоянието на металните съоръжения. Въз основа на направения преглед и невъзможността за прилагането на инхибиторна защита се препоръчва да се следи нивото на корозия. Като вариант за обследване с по-ниска себестойност за измерване на нивото на локалната (стрес) корозия се предлага датчик, работещ на резистивен принцип, изработен от материали съобразени с метала на защитаваната структура и осъществяването на система за дистанционно наблюдение Христова и съавтори (2010). За изследване на степента на корозия може да се приложи и дебеломер работещ на ултразвуков принцип. Използвани в практиката ултразвукови дебеломери са модели 27 MG и 45 MG на фирмата OLYMPUS. Първият дебеломер не предлага запис на данните, докато вторият модел има опции за запис на предходни измервания, чрез допълнителни софтуерни приложения. Въз основа на запазените характеристики според софтуерните приложения могат да бъдат направени анализи за нарастване на корозията във времето и изследване влиянието на отделни фактори върху нейната скорост. Активни корозионни процеси по външната повърхност могат да бъдат инспектирани като се използват измерватели на корозията работещи на принципа на вихровите токове. За измерване на умората на материала и регистрирането на пукнатини на много ранен етап може да се използват пенетранти, магнитни или акустични методи. Последните дават добра корелация между промяната на сигнала и развитието по брой на пукнатините. Ако е необходимо измерване на тяхната дължина и разпространение по-ефективен е магнитният метод. Тези измервания са строго специфични и направени в ранен етап от експлоатационния период позволяват да се променят средствата за защита. Литература Иванов, И. В., П. К. Петров, Г. Ц. Велев, Н. Е. Витков - Техническа Безопасност - учебник, ИК „Кинг”, София, 2011, ISBN 978-954-9518-66-5;
Loab K., Sheka C., Lai J., Recent developments in stainless steels, Materials Science and Engineering R, 2009, 39 - journal homepage: ww.elsevier.com/locate/mser Lin P., Palumbo G., Erb U., Aust K., Scripta Metallurgica et Materialia 33 (1995)1387. Psyllaki P., Oltra R., Materials Science and Engineering A 282 (2000) 145. Speidel M., in: Proceedings of the Conference on Stainless Steels 91, The Iron and Steel Institute of Japan, Chiba, (1991), pp. 25–35. Христова Т., Христов П., Стефанов Ст., Дистанционна система за следене на корозията на подземни тръбопроводи, списание Минно дело и геология, 2010, брой 1, стр.42-45 Hristova T., Stefanov S., Electrochemical Research Of Sensor Galvanic Cell, Universitatea "Constantin Brâncuşi" din Târgu-Jiu Analele Universităţii/ University's Annals http://www.utgjiu.ro/revista/?page=curent&nr=2010-02 ISSN 1842-4856 Wasnik D.N., Kain V., Samajdar I., Verlinden B., De P.K., Acta Materialia 50(2002) 4587. Plaumbo G., Aust K., Acta Metallurgica et Materialia 38 (1990) 2343. Статията е рецензирана от проф. М. Панайотова и препоръчана за публикуване от кат. „Химия“. Каталог: sessions sessions -> Изследване чистотата на слънчогледово масло за производство на експлозиви anfo sessions -> Laser “Raman” spectroscopy of anglesite and cubanite from deposit “Chelopech” Dimitar Petrov sessions -> Св иван рилски sessions -> Modeling of sessions -> Управление на риска от природни бедствия sessions -> Oценка на риска от наводнениe в елховското структурно понижение в района на гр. Елхово красимира Кършева sessions -> Гравиметрични системи използвани в република българия и оценка точността на системи igsn-71 и unigrace при точки от гравиметричните и мрежи sessions -> Toxicological assessment of photocatalytically destroyed mixed azo dyes by chlorella vulgaris sessions -> Field spectroscopy measurements of rocks in Earth observations Изтегляне 199.39 Kb. Сподели с приятели:
|