Защита трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии

Общие положения

Надежная и долговечная работа подземных теплопроводов в значительной степени определяется их коррозионной стойкостью. Тепловые сети эксплуатируются в условиях, благоприятствующих развитию коррозионных процессов, что требует принятия специальных мер по их защите от коррозии. В настоящее время имеется большой арсенал средств антикоррозионной защиты, предназначенных для применения на подземных металлических сооружениях. Полное и правильное применение разработанных методов и средств защиты на тепловых сетях позволит значительно повысить их коррозионную стойкость.

Коррозия металлов представляет собой их самопроизвольное разрушение из-за химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Коррозия наружной поверхности трубопроводов тепловых сетей всегда связана с процессами, протекающими на границе двух фаз — металла и водной среды, и имеет электрохимическую природу. Электрохимический механизм растворения металла является результатом одновременного протекания взаимно независимых реакций: анодной, представляющей собой переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с последующим образованием малорастворимых продуктов коррозии, и катодной, представляющей собой ассимиляцию освободившихся при анодной реакции электронов какими-либо содержащимися в растворе деполяризаторами.

При коррозии железа в нейтральных или близких к ним средах анодная реакция может быть представлена в виде

Fе→ Fе²⁺+2е.

Основной катодной реакцией при коррозии железа и низкоуглеродистых сталей в нейтральных и слабощелочных средах является реакция восстановления молекулярного кислорода:

1/2O₂+2е + Н₂O = 2ОН^-.

В условиях подземной коррозии для этой реакции характерна замедленность переноса растворенного в электролите кислорода к поверхности корродирующего металла, что обусловливает не только скорость катодной реакции, но и общую скорость коррозии. Перенос кислорода через почвенный электролит к поверхности металла подземного металлического сооружения состоит из нескольких стадий. Наиболее затрудненной стадией является стадия переноса кислорода в слое электролита через неподвижный (диффузионный) слой, непосредственно примыкающий к поверхности металла.

Перенос кислорода к поверхности трубопроводов тепловых сетей дополнительно осложнен теплоизоляционной конструкцией, в частности наличием дополнительного барьера в виде тепло- и гидроизоляционного покрытия. На скорость электрохимической коррозии оказывает влияние ряд внешних факторов, связанных с составом коррозионной среды и условиями протекания коррозионного процесса: водородный показатель (рН), стимуляторы и ингибиторы (замедлители) коррозии, температура, поляризация внешним током и др.

С ростом температуры скорость электрохимической коррозии обычно возрастает, так как по экспоненциальному закону увеличивается скорость электрохимических реакций. Однако такая закономерность в случае коррозии с кислородной деполяризацией полностью не соблюдается в связи с тем, что действуют факторы, имеющие обратную температурную зависимость. В частности, растворимость кислорода в незамкнутых системах с ростом температуры уменьшается, что определяет снижение скорости коррозии. Вместе с тем с увеличением температуры возрастает скорость диффузии кислорода, что способствует росту скорости коррозии. Зависимость скорости коррозии наружной поверхности трубопроводов от температуры еще более усложняется при переменном температурно-влажностном режиме, присущем условиям эксплуатации тепловых сетей.

Наличие температурного градиента и периодических колебаний температуры теплоносителя приводит к увеличению интенсивности коррозии, максимум которой приходится на температурные колебания 70— 80 °С. Эта температурная зона в присутствии влаги в слое теплоизоляции, примыкающем к поверхности трубопровода, является наиболее коррозионно-опасной.

Под воздействием источников тока может осуществляться как катодная, так и анодная поляризация металла, при этом его потенциал от стационарного смещается соответственно в сторону отрицательных или положительных значений. При катодной поляризации корродирующего металла от источника постоянного тока скорость коррозии, как правило, уменьшается. При анодной поляризации скорость коррозии обычно возрастает. Подземные металлические сооружения, в частности трубопроводы, поверхность которых имеет электролитический контакт с грунтом, часто подвергаются поляризации блуждающими токами. Коррозия блуждающими токами (электрокоррозия) опасна локальным поражением трубопроводов.

Блуждающие токи — это постоянные или медленно меняющиеся по величине и направлению электрические токи, протекающие в земле от источников, находящихся за пределами подземных металлических сооружений.

К источникам блуждающих токов относятся: рельсы электрифицированных на постоянном токе железных дорог, трамвая, метрополитена, шахтного электротранспорта; заземления линий электропередачи постоянного тока по системе «провод — земля»; анодные заземления установок электрохимической защиты и трубопроводы с электрохимической защитой; сварочные установки и гальванические ванны с утечкой тока в землю и др. На участках входа блуждающих токов подземные металлические сооружения поляризуются катодно, а на участках выхода — анодно. Критерием опасности коррозии, вызываемой блуждающими токами, является наличие анодных и знакопеременных зон на стальных подземных трубопроводах. Наличие этих зон характеризуется появлением положительной или знакопеременной разности потенциалов между трубопроводом и землей.

Наружная поверхность трубопроводов тепловых сетей, как правило, находится в контакте с теплоизоляционными материалами, физико-механические и физико-химические свойства которых в зависимости от способа прокладки теплопроводов в меньшей или большей степени определяют кинетику коррозионных процессов на поверхности трубопроводов. В большей степени это относится к канальным прокладкам трубопроводов, где между теплоизоляционной конструкцией и стенками канала предусмотрен воздушный зазор. При бесканальной прокладке трубопроводов теплоизоляционная конструкция непосредственно контактирует с грунтом. В этом случае свойства грунтов, характеризуемые их структурой и гранулометрическим составом, влагосодержанием и минерализацией грунтовых вод, воздухопроницаемостью и биогенностью, могут оказывать превалирующее воздействие на кинетику коррозионных процессов.

Неоднородность грунтов вдоль трасс трубопроводов может вызвать появление анодных и катодных участков на трубах. Так, например, различия в воздухопроницаемости грунтов могут стать причиной образования на трубопроводах протяженных коррозионных макропар дифференциальной аэрации. Интенсивность действия макропар в значительной степени вызвана электросопротивлением грунтов. В связи с этим удельное объемное электрическое сопротивление является характеристикой коррозионной активности грунтов по отношению к трубопроводам тепловых сетей бесканальной прокладки.