автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных свойств защитных жидкостей для баков-аккумуляторов энергетических предприятий

На правах рукописи

Шарафутдинова Дина Вазировна

Улучшение эксплуатационных свойств защитных жидкостей для баков-аккумуляторов энергетических предприятий

05.17.07 - Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 ПАЯ ¿013 005059011

Москва-2013

005059011

Работа выполнена на кафедре химии и технологии смазочных материалов и химмотологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» (РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Спиркин Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России» Гришин Николай Николаевич

Кандидат технических наук, доцент РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Назаров Андрей Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти»

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 11:00 часов в ауд. 541 на заседании диссертационного совета Д 212.200.04 при РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.200.04

доктор технических наук, профессор

Ь

Р. 3. Сафиева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы обусловлена недолговечностью оборудования систем тепло-, водоснабжения энергетических предприятий, вызванной коррозионным разрушением. Срок службы насосного оборудования при этом может сокращаться до 3 раз, резервуаров и теплообменного оборудования - до 4 раз, трубопроводов - до 10 раз в сравнении с проектируемым. Основной причиной коррозионного разрушения оборудования является внутренняя коррозия, обусловленная лишь на 10 % нарушениями качества подпиточной воды, а на 90 % насыщением воды кислородом из окружающей среды, несмотря на качественную водоподготовку. Разрушению особенно подвержены баки-аккумуляторы горячего водоснабжения (БАГВ) - металлические ёмкости 100 - 20000 м3, в которых хранится запас горячей (до 95 °С) деаэрированной воды, необходимый для выравнивания потоков и бесперебойной подачи воды потребителям независимо от пиковых нагрузок.

Для защиты металлической поверхности БАГВ от коррозии используются защитные жидкости типа АГ-4И, представляющие собой растворы высокомолекулярных полимеров в минеральном масле. Согласно классификации смазочных материалов, индустриальных масел и родственных продуктов (класс Ь) по ГОСТ 28549.8-90 (ИСО 6743-8-87) защитные жидкости относятся к группе Я - продукты, обеспечивающие временную защиту от коррозии. Кроме создания защитной плёнки на поверхности металла, они способны предотвращать насыщение деаэрированной воды кислородом воздуха, а также испарение горячей воды из баков-аккумуляторов за счёт образования на поверхности воды плавающего слоя.

В настоящее время объём производства защитных жидкостей в России составляет 1200 т/год. Защитные жидкости используются в более чем 50 % энергетических предприятий на всей территории России.

Данный способ защиты БАГВ был предложен ВНИИНЕФТЕМАШ в результате исследования коррозионного разрушения резервуарного оборудования систем водоснабжения. Но в проводимых ранее исследованиях не рассматривалась возможность использования альтернативных загустителей в составе защитных

3

жидкостей. До настоящего времени не существует обоснования срока службы защитных жидкостей, не предложены способы их утилизации.

Цель и задачи исследования

Цель работы - повышение срока службы защитных жидкостей для баков-аккумуляторов энергетических предприятий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование физико-химических и эксплуатационных свойств защитных жидкостей на основе различных полимеров;

- разработка методики для оценки дополнительного срока службы защитной жидкости после истечения срока, установленного нормативными документами;

- исследование возможности утилизации отработанных защитных жидкостей.

Научная новизна

1 Установлено, что наиболее эффективным средством антикоррозионной и антиаэрационной защиты баков-аккумуляторов горячего водоснабжения являются защитные жидкости, содержащие полиизобутилен с молекулярной массой 200 тыс. в концентрации 3,0 - 3,6 % мае.

2 Установлена зависимость поверхностных свойств защитной жидкости на основе высокомолекулярного полимера на границе раздела «жидкость-металл» от степени обработки металлической поверхности. Увеличение степени шероховатости до 50 - 100 мкм приводит к снижению краевого угла смачивания до 10 - 12 град., работа адгезии при этом возрастает до 60 мН/м.

3 Показано, что в процессе регенерации отработанной защитной жидкости при оптимальных условиях: температуре (20 ± 2) °С, массовом соотношении избирательного растворителя метилэтилкетона к жидкости 1,5:1 величина энергии связи молекул экстрагента с углеводородами превышает величину их энергии связи с полиизобутиленом, что приводит к выделению полимера из раствора.

4 Установлено, что консервационный состав, содержащий 5 % мае.

ингибитора коррозии - кальциевого производного продукта конденсации

диэтаноламина с олеиновой кислотой и 1 % мае. деэмульгатора — блоксополимера

этилена и пропилена на основе диэтаноламина обладает оптимальным сочетанием

4

деэмульгирующих и защитных свойств.

Практическая значимость

1 Получена эмпирическая зависимость условной вязкости индустриального масла от концентрации высокомолекулярного полиизобутилена, позволяющая рассчитывать оптимальное соотношение компонентов защитной жидкости в процессе производства.

2 Разработана и внедрена методика оценки дополнительного срока службы защитных жидкостей в баках-аккумуляторах горячего водоснабжения после 4-х лет эксплуатации на энергетических предприятиях.

3 Предложены способы утилизации отработанных защитных жидкостей с получением консервационных и смазочных материалов.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• 63-й Международной студенческой конференции «Нефть и газ 2009», Москва, 2009 г.;

• 4, 5, б-й Международных конференциях «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем», Москва, 2008,2009,2011 гг.;

• 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2012 г.;

• Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли», Оренбург, 2012.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 тезисах докладов конференций, 5 научных статьях изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 63 наименований. Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 37 таблиц, 26 рисунков, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведён анализ проблемы коррозионного разрушения систем централизованного горячего водоснабжения. Приведены особенности производства

и применения защитных жидкостей в БАГВ и связанные с ними направления для дальнейшего исследования. Обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведены данные по масштабам коррозионного разрушения тепловых сетей жилищно-коммунального хозяйства. Рассмотрен механизм протекания коррозионных процессов в условиях теплосети, влияние на их характер и скорость таких факторов как концентрация растворенного в воде кислорода, температура, скорость потоков воды, рН, содержание солей.

Описаны два подхода для защиты тепловых сетей от коррозии. Раздельный способ защиты основан на использовании цинконаполненных составов, меташшзационного алюминиевого покрытия или катодного метода для защиты стенок бака-аккумулятора от коррозии и устройств типа паровых подушек для предотвращения аэрации воды кислородом воздуха. Комбинированная защита предполагает использование защитных жидкостей. Описаны преимущества использования защитных жидкостей по сравнению с другими способами и особенности их эксплуатации: технология нанесения, конструкционные особенности, порядок подготовки и обследования коррозионного состояния баков-аккумуляторов, установленные сроки службы защитных жидкостей.

Представлен обзор предложенных ранее методов утилизации отработанных защитных жидкостей.

Во второй главе определены объекты исследования: индустриальное масло И-20А; высокомолекулярные полимеры - полиизобутилены (ПИБ) с молекулярными массами 85 тыс. (П-85), 200 тыс. (П-200); загустители на основе низкомолекулярных полимеров — маслонаполненный полибутадиеновый каучук (МНПБ); загущающая полиизобутиленовая присадка (КП-20С); высокоокисленный атактический полипропилен (ВАПП).

Для исследования возможностей утилизации использованы отработанные защитные жидкости после 4-х лет эксплуатации на предприятиях ОАО «МОНДИ СЛПК» и РТС «Терешковой ОАО «МОЭК», а также ингибиторы коррозии отечественного производства и деэмульгаторы.

Для оценки физико-химических и эксплуатационных свойств объектов исследования использовались стандартные и исследовательские методы.

Газопроницаемость защитной жидкости оценивалась по изменению концентрации растворённого кислорода в термически деаэрированной воде под слоем защитной жидкости толщиной 20 мм. Определение количества кислорода в воде производилось по химическому методу Винклера.

Оценка способности защитных жидкостей предотвращать испарение горячей воды производилась по потере массы воды под плавающим слоем защитной жидкости в единицу времени с единицы поверхности испарения.

Поверхностные явления защитных жидкостей на границе с металлом и воздухом определялись на приборе ЕАБУТЛЮР с программным обеспечением Г)8А1, позволяющем анализировать форму оцифрованного изображения капли.

Третья глава посвящена исследованию влияния загустителя на эксплуатационные свойства защитных жидкостей.

Исследование влияния молекулярной массы ПИБ на вязкость защитной жидкости проводилось для растворов полимеров с наименьшей (85 тыс.) и наибольшей (200 тыс.) молекулярными массами в ряду производимых в настоящее время высокомолекулярных ПИБ (рисунок 1).

X, с 60 50 40 30 20 10 0

2 3 4 5 6 7 С, % мае.

Рисунок 1 - Зависимость условной вязкости по шариковому вискозиметру (X) от концентрации П-85 и П-200 (С) в индустриальном масле И-20А

7

Условная вязкость растворов определялась по методу падающего шарика (ГОСТ 8420-74). Увеличение содержания полимера П-200 от 2 до 4 % приводит к увеличению вязкости при 20 СС почти в 10 раз, а требуемая согласно техническим условиям вязкость товарной защитной жидкости (30 - 60 с) достигается при содержании в масле 3,0 - 3,6 % мае. П-200 (рисунок 1). За счёт высокой загущающей способности расход П-200 при производстве защитной жидкости почти в два раза ниже, чем П-85, что делает его использование предпочтительным с точки зрения рационального использования сырьевых ресурсов.

Зависимость условной вязкости раствора полимера от концентрации П-200 в индустриальном масле И-20А имеет экспоненциальный характер:

Х=0,685-е'-28С (1)

где X—условная вязкость раствора при 20 °С, с;

С - концентрация полиизобутилена П-200, % мае.

Исходя из данной зависимости, предложена эмпирическая формула, имеющая практическую значимость при производстве защитной жидкости:

» = "С-О-С^) -(1^ + 0,5) 128 • Срт

где ш - количество масла, для введения в исходный концентрат, кг; тс - масса концентрата, кг; тм - количество масла в концентрате, кг; СРШ - заданная концентрация П-200, доли ед.; Х-условная вязкость концентрата, с.

Зависимость (2) позволяет получить защитную жидкость с заданной условной вязкостью путём точного дозирования масла на стадии разбавления концентрата полимера в производстве. Она внесена в регламент на производство защитной жидкости АГ-4И на ОАО «Московский нефтемаслозавод».

Исследование динамической вязкости позволяет наиболее точно

спрогнозировать поведение защитной жидкости, так как в условиях эксплуатации в

пристеночных областях на неё воздействуют силы деформации сдвига со стороны

слоёв воды. Определение динамической вязкости проводилось для растворов П-200

8

в И-20А при фиксированной скорости сдвига - 20 мин"1, исходя из средней линейной скорости движения уровня воды при заполнении бака. Выявлено, что характер изменения динамической вязкости в зависимости от температуры и содержания полимера аналогичен условной вязкости (рисунок 2).

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость вязкости растворов П-200 в И-20А от температуры (Т): а) условная вязкость (X); б) динамическая вязкость (д)

Таким образом, для защитных жидкостей на основе П-200 существует корреляция между динамической и условной вязкостью, то есть показатель условной вязкости, менее трудоёмкий для определения, является достаточно информативным для выражения вязкостных свойств.

С целью расширения сырьевой базы и усовершенствования технологической схемы производства рассмотрена возможность применения в защитных жидкостях низкомолекулярных полимерных загустителей: маслонаполненного полибутадиенового каучука (МНПБ); загущающей полиизобутиленовой присадки (КП-20С); высокоокисленного атактического полипропилена (ВАПП). Вязкостно-концентрационные зависимости растворов этих загустителей в индустриальном масле И-20А представлены на рисунке 3. Установлено, что по загущающей способности вышеуказанные загустители располагаются в ряд: МНПБ > КП-20С > ВАПП. Содержание полимерных загустителей в И-20А необходимое для

9

удовлетворения требованиям технических условий по вязкости защитных жидкостей (30 - 60 с при 20 °С) составляет: 3 - 3,6 % мае. ГТ-200; 33 - 38 % мае. КП-20С; 27,5 - 32 % мае. МНПБ; 35 - 42,5 % мае. ВАПП.

С, % мае.

Рисунок 3 - Зависимость вязкости (X) растворов низкомолекулярных полимеров в И-20А от концентрации (С): 1 - МНПБ; 2 - КП-20С; 3 - ВАПП

Эксплуатационные свойства защитных жидкостей с одинаковой условной вязкостью 60 с на основе разных полимеров оценивались по стойкости к сдвиговым нагрузкам (динамическая вязкость), способности предотвращать испарение деаэрированной воды и насыщение её кислородом из окружающей среды, защитным и поверхностным свойствам.

Выявлено, что, несмотря на одинаковые значения условной вязкости, характер изменения динамической вязкости растворов полимеров МНПБ, КП-20С, ВАПП, П-200 в индустриальном масле И-20А значительно отличается (рисунок 4). Растворы проявляют неньютоновский характер вязкости, но при 90 °С вязкость растворов КП-20С и ВАПП становится значительно ниже и перестаёт зависеть от скорости деформации. Наибольшей стабильностью вязкости при изменении скорости сдвига и температуры обладает раствор МНПБ за счёт наличия поперечных связей в молекуле полибутадиена.

о,

Пах 12

10

С, Пас 1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

25 50 75 Число оборотов, МИН 1

а)

25 50 75 100 Число оборотов, МИН"1

б)

Рисунок 4 - Зависимость динамической вязкости растворов полимеров в индустриальном масле И-20А от скорости сдвига: а) при 20 °С; б) при 90 СС

Оценка газопроницаемости показала, что все рассмотренные составы способны сохранять постоянный низкий уровень содержания растворенного кислорода в воде (рисунок 5), однако способность предотвращать испарение воды растворами низкомолекулярных полимеров в среднем в 1,5 раза ниже, чем раствором высокомолекулярного П-200 (рисунок 6).

§ 1 го

о. ¡3. £

X о

ш о. ГГ о

X с;

о и

ы 5

1

2

)||п 1т м|| 3 , 4

40

80

120

160

I, Ч.

Рисунок 5 - Изменение содержания растворённого в воде кислорода под защитным слоем растворов полимеров: 1 - без защитной жидкости; 2 - И-20А; 3 -МНПБ; 4 - КП-20С; 5 - П-200; 6 - ВАПП 11

0,5

Рисунок 6 - Испаряемость воды из-под защитного слоя растворов полимеров толщиной 20 мм: 1 - П-200, 2 - МНПБ; 3 - КП-20С; 4 - ВАПП

Защитные свойства растворов определялись по скорости коррозии стальных пластин Ст. 10 по ГОСТ 9.054-75 (рисунок 7). Установлено, что защитная способность раствора МНПБ аналогична незагущенному маслу И-20А, а раствора ВАПП примерно в 20 раз выше, чем П-200. Однако исследование защитной способности в условиях, приближенных к рабочим в баках-аккумуляторах - в среде дистиллированной воды при температуре 90 °С, показало, что скорость коррозии пластин с нанесением КП-20С и ВАПП на 20 - 30 % выше, чем при использовании раствора П-200.

Рисунок 7 - Защитные свойства растворов полимеров в среде электролита: 1 - П-200; 2 - МНПБ; 3 - КП-20С; 4 - ВАПП; 5 - И-20А (продолжительность

испытания 336 ч)

Таким образом, исследование растворов низкомолекулярных загустителей показало ряд их преимуществ перед П-200. Так, раствор МНПБ обладает большей стабильностью вязкости, а растворы ВАПП и КП-20С обеспечивают низкую скорость коррозии при невысоких температурах, однако при 90 °С растворы низкомолекулярных полимеров по способности предотвращать испарение воды и защищать поверхность металла от коррозии, уступают раствору П-200. Следовательно, они не способны обеспечивать столь же надёжное функционирование баков-аккумуляторов, как защитная жидкость на основе высокомолекулярного полимера П-200.

Различия в свойствах растворов полимеров в И-20А отражаются и в их поверхностных свойствах. Установлено, что наибольшим углом смачивания и наименьшей адгезией к поверхности металла, а значит, и наихудшей способностью создавать защитную плёнку на стенках бака-аккумулятора обладает раствор ВАПП (рисунок 8,9).

Рисунок 8 - Изменение краевого угла смачивания (0) стальной поверхности растворами полимеров во времени (0 при 25 °С: 1 - ВАПП; 2 - КП-20С; 3 - П-200; 4 - МНПБ; 5 - И-20А

70 60 50

2 32

20 10 0

Рисунок 9 - Работа адгезии ^а) растворов полимеров на шлифованной стальной поверхности при 25 °С: 1 - ВАПП: 2 - КП-20С; 3 - П-200; 4 - МНПБ

Установлена зависимость поверхностных свойств защитной жидкости от степени обработки металла. На примере раствора П-200 показано, что адгезия защитной жидкости к поверхности металла растёт с увеличением шероховатости поверхности (таблица 1).

Таблица 1 - Работа адгезии АГ-4И на поверхностях металла с разной степенью обработки

Полирование Шлифование Пескоструйная обработка

Степень шероховатости, мкм 0 5-10 50-100

Краевой угол смачивания, град. 23,1 16,3 10,6

Поверхностное натяжение, мН/м 30,3 30,3 30,3

Работа адгезии, мН/м 58,2 59,4 60.0

В четвёртой главе приведена методика оценки срока службы защитных жидкостей после 4-х лет эксплуатации в баках-аккумуляторах горячего водоснабжения. Согласно РД 153-34.1-40.504-00 «Методические указания по оптимальной защите баков-аккумуляторов от коррозии и воды в них от аэрации»,

после 4-х лет эксплуатации защитная жидкость подлежит замене в случае отклонения значения показателя условной вязкости от допустимого. Опыт применения показывает, что после 4-х лет эксплуатации условная вязкость, не только не достигает браковочного предела - 15 с, но и остается в пределах допустимого для товарной защитной жидкости — выше 30 с.

В предложенной методике прогнозирование срока эксплуатации защитной жидкости осуществляется на основании её защитной способности. Лабораторными методами определяются единичные показатели качества в коррозионных средах по ГОСТ 9.054-75 — повышенная влажность и температура, периодическая конденсация; ц2 - повышенная влажность и воздействие сернистого ангидрида; qз -воздействие соляного тумана; - постоянное погружение в электролит; ц5 -воздействие бромистоводородной кислоты; ц6 — условия контакта разнородных металлов).

После экспериментальной оценки единичных показателей качества «прогнозируемой» и «эталонной» защитных жидкостей рассчитываются их комплексные показатели защитной способности (КПЗС) и Хцз по формулам (3) и (4). Коэффициенты установлены методом коллективных экспертных оценок и определяют весомость каждого из единичных показателей в КПЗС.

= 0,28 • Чпх + 6,67 ■<}" +4-?3Я+0,97 -^+(10- ОД • ^) +ОД 6 • ^ (3) Е<7Э = 0,28 ■ д? + 6,67 • ц32 + 4 ■ + 0,97 • д4э + (10 - 0Л -цэ5) + 0,16 • д^ (4)

Дополнительный срок службы защитной жидкости после 4-х лет эксплуатации определяется по аналитической зависимости:

г я - ^п-Рп-СЗэ

~ V п о ("5")

где СЗП - срок защиты «прогнозируемой» жидкостью, лет; СЗЭ — известный срок защиты «эталонной» защитной жидкостью согласно действующим нормам (РД 15334.1- 40.504-00), лет; (Зп, [Зэ - коэффициенты отклонения сроков защиты от линейной зависимости «прогнозируемой» и «эталонной» защитными жидкостями;

15

а.о - коэффициент на предполагаемый срок защиты в зависимости от условий хранения техники.

Применение методики позволяет на основании расчетов давать обоснованные рекомендации о сроках замены защитной жидкости. Методика внедрена и используется на отечественных энергетических предприятиях.

В пятой главе рассмотрена проблема утилизации отработанной защитной жидкости.

Установлена возможность очистки отработанных защитных жидкостей с использованием избирательных растворителей, основанная на явлении перехода от полного растворения к нерастворимости при нарушении устойчивости растворов полимеров как истинных растворов. Суть процесса заключается в осаждении полимера из защитной жидкости путём введения растворителей с последующим фильтрованием раствора и отгоном растворителя из масла. В качестве объекта исследования была взята модельная жидкость - раствор 3,6 % мае. П-200 в индустриальном масле И-20А. В качестве растворителя рассмотрена смесь метилэтилкетона (МЭК) и толуола.

Зависимость скорости фильтрования от состава растворителя приведена на рисунке 10. Максимальная скорость фильтрования достигается при использовании в качестве растворителя чистого МЭК. Способ введения растворителя влияет иа процесс выделения ПИБ. Введение защитной жидкости, предварительно разбавленной толуолом, в МЭК приводит к росту скорости фильтрования. Выход масла при этом увеличивается на 2 - 3 %. Это вызвано тем, что выделение полимера лучше происходит из его разбавленных растворов, так как длинноцепочечная структура полимера способствует захвату молекул масла из раствора.

Кратность смеси растворителей к сырью выбиралась опытным путём и составила 1,5:1 (мае.). Максимальный выход масла составляет 90 % мае. При увеличении кратности растворителя к сырью до 2:1 скорость фильтрования увеличивается на 17 %, но выход масла не изменяется.

w,

кг/(м2-ч)

800! 600¡ 400 200 0 !

0 20 40 60 80 100 Смэк, %об.

Рисунок 10 - Зависимость скорости фильтрования смеси сырья с растворителями (W) от содержания МЭК (Смэк) в смеси (толуол - МЭК): 1 - Введение смеси растворителей в сырьё; 2 - Введение в МЭК сырья, растворенного в толуоле

Вязкость регенерированного масла определяет остаточное содержание в нём полимера. Увеличение доли полярного растворителя МЭК способствует более полному выделению ПИБ из защитной жидкости и снижению кинематической вязкости полученного масла (рисунок 11). Резкое изменение хода кривой вызвано нарушением термодинамически устойчивого равновесия системы, что и приводит к выделению полимера из раствора.

8

о б

CJ

2 0

О 20 40 60 80 100 Сшк>%об.

Рисунок 11 - Зависимость кинематической вязкости регенерированного масла (\'40) от содержания МЭК (Смэк) в смеси растворителей (толуол - МЭК)

17

Показатели качества полученного регенерированного масла удовлетворяют требованиям индустриального масла И-20А ГОСТ 20799-88.

Выявлена особенность влияния температуры на скорость фильтрования: при повышении температуры скорость фильтрования смеси сырья с растворителем снижается (рисунок 12). Это объясняется повторным растворением осаждённого полиизобутилена в масле с ростом температуры, вязкость фильтруемого масла при этом увеличивается, процесс фильтрования усложняется.

Рисунок 12 - Зависимость скорости фильтрования смеси сырья с растворителем МЭК (\У) от температуры (Т)

Для решения одновременно проблемы охраны окружающей среды и экономии сырьевых ресурсов рассмотрена возможность использования отработанных защитных жидкостей в качестве компонентов смазочных и консервационных продуктов.

Вовлечение отработанной защитной жидкости в производство литиевой смазки, позволило получить смазку, удовлетворяющую требованиям Литол-24 (таблица 2). Для приготовления смазки отработанная защитная жидкость с условной вязкостью 3 с при 20 °С (бак-аккумулятор № 2 РТС «Терешково» ОАО «МОЭК») разбавлялась до нужного уровня кинематической вязкости (60 — 75 мм2/с) индустриальным маслом И-20А.

Таблица 2 - Основные показатели качества смазки Литол-24

Показатель Значение

ГОСТ 21150-87 Фактич.

Пенетрация при 25°С, мм-10"1 220-250 228

Температура каплепадения, °С >185 194

Коллоидная стабильность, % <12 9

Дин. вязкость, Па-с при 0°С/50°С <280/> 8 235 / 10

Предел прочности, Па при 20 °С / 80 °С 500-1000 />200 610/210

Исследована возможность применения отработанных защитных жидкостей в составе для консервации с гидроиспытанием аппаратуры в одном цикле. Использование подобных составов предполагает прямой контакт с водой, в связи с чем, предъявляются высокие требования, как к защитным, так и к деэмульгирующим свойствам. Используемый для этих целей в настоящее время состав ВНИИНМ-33/80 (ТУ 0253-050-00220302-02) не в полной мере удовлетворяет требованиям по деэмульгирующей способности.

Проведены исследования защитных свойств (ГОСТ 9.054-75 метод 4) товарной и отработанной (бак-аккумулятор № 1 ОАО «МОНДИ СЛПК») защитных жидкостей. Установлено, что введение ингибиторов коррозии аминного типа Телаз различных модификаций (Л, ЛСа, ЛЫа) способствует росту защитной способности отработанных жидкостей более чем в 2 раза.

Определение деэмульгирующей способности производилось для растворов отработанной защитной жидкости в масле И-20А с ингибиторами коррозии (Телаз-Л, Телаз-ЛСа, Телаз-ЛЫа, Н-М-1) и деэмульгаторами (ЬиЬпго1 5172, Нефтенол БС, Дипроксамин — 157) (рисунок 13).

■ вода □ эмульсия 0 масло

10 38 2

И1 40

Объем, мл 40 80 40 30 80 78 2 80 80 2 40 78

123456789

Рисунок 13 - Деэмульгирующие свойства составов (Ав'ГМ 1401-09):

1 - 15 % мае. отработанной защитной жидкости в И-20А;

2 - № 1+ 5% мае. Телаз-Л;

3 - № 1 + 5 % мае. Телаз-ЛСа;

4 - № 1+ 5 % мае. Телаз-ЛЫа;

5 - № 1 + 3 % мае. Н-М-1;

6 - № 3 + 1 % мае. 1дЛпго1 1572:

7 - № 3 + 1 % мае. Дипроксамин - 157;

8 - № 3 + 1 % мае. Нефтенол БС;

9 — ВНИИНМ-33/80

Необходимым уровнем деэмульгирующих свойств, превосходя ВНИИНМ-33/80, обладает состав с использованием 5 % мае. ингибитора коррозии Телаз-ЛСа и 1 % мае. деэмульгатора Нефтенол БС (состав № 8).

Защитные свойства состава № 8 показали снижение скорости коррозии по сравнению с неингибнрованным составом в 4 раза.

С целью определения оптимального соотношения Телаз-ЛСа и Нефтенол БС исследовалась зависимость поверхностного натяжения их растворов в масле И-20А от концентрации (рисунок 14). Минимумы на кривых свидетельствуют о мицеллообразовании, что и приводит к снижению эмульгирующей способности. Для раствора Телаз-ЛСа критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) оказалась на уровне 7 % мае. (рисунок 14 а), для раствора Нефтенол БС - 0,7 % мае. (рисунок 14 б). Однако введение 0,7 % мае. Нефтенол БС в раствор Телаз-ЛСа приводит к смещению ККМ до 5 % мае. (рисунок 14 в).

мН/м

1,5 2,0 С, % мае.

2

31 30 29 28 27 26 25

С,% мае.

Рисунок 14 - Зависимость поверхностного натяжения индустриального масла И-20А (<т25) от концентрации (С): а) Телаз-ЛСа; б) Нефтенол БС: в) Телаз-ЛСа + 0,7 % мае. Нефтенол БС

Установлена возможность применения отработанных защитных жидкостей в качестве добавки в пленкообразующих ингибированных нефтяных составах (ПИНС). В качестве активного вещества рассматривались смеси битумов БН 70/30 и БНК 45/190 с отработанной защитной жидкостью АГ-4И и ингибитором коррозии Телаз-ЛЫа. Оптимальные физико-химические и эксплуатационные свойства достигнуты для состава: 50 % мае. битума БНК 45/190; 8 % мае. отработанной

АГ-4И; 7 % мае. ингибитора коррозии Телаз-Жа; 35 % мае. растворителя уайт-спирит. Полученный состав соответствует требованиям на ПИНС марки НГ-216А.

ВЫВОДЫ

1 Проанализирован опыт эксплуатации в энергетической промышленности баков-аккумуляторов горячего водоснабжения, в которых в качестве средства антикоррозионной и антиаэрационной защиты используются составы на основе загущенных индустриальных масел. Определены основные направления улучшения эксплуатационных свойств защитных жидкостей и эффективных способов их утилизации.

2 Исследованы вязкостные свойства защитных жидкостей на основе полиизобутиленов с молекулярными массами 85 тыс. и 200 тыс. (П-85 и П-200), установлено, что загущающая способность полимера П-200 почти в 2 раза выше.

3 Исследована зависимость динамической вязкости растворов полимера П-200 в индустриальном масле И-20А от концентрации полимера и температуры, установлена её корреляция с условной вязкостью, определяемой по шариковому вискозиметру.

4 Получена эмпирическая зависимость условной вязкости индустриального масла от концентрации высокомолекулярного полиизобутилена, позволяющая рассчитывать оптимальное соотношение компонентов защитной жидкости в процессе производства.

5 Установлено, что для получения защитной жидкости с условной вязкостью 30 - 60 с концентрация маслонаполненного низкомолекулярного бутадиенового каучука (МНПБ), должна составлять 27,5 - 32 мае. %, низкомолекулярной полиизобутиленовой присадки (КП-20С) 33 - 38 мае. %, высокоокисленного атактического полипропилена (ВАПП) 35 — 42,5 мае. %.

6 Проведены сравнительные исследования вязкостных, защитных, антиаэрационных свойств растворов высокомолекулярного полиизобутилена (П-200) и низкомолекулярных загустителей: полибутадиенового каучука (МНПБ), полиизобутиленовой присадки (КП-20С) и высокоокисленного атактического

22

полипропилена (ВАПП) в И-20А. Показано, что оптимальными эксплуатационными свойствами обладает раствор высокомолекулярного полиизобутилена.

7 Установлена связь между работой адгезии к металлу защитной жидкости и степенью шероховатости поверхности. Величина работы адгезии составила 59,4; 58,2 и 60,1 мН/м для шлифованной (шероховатость 5-10 мкм), полированной (Омкм) и обработанной пескоструйным методом (50 - 100 мкм) поверхностей, соответственно.

8 Предложена и внедрена на энергетических предприятиях России методика оценки работоспособности защитной жидкости с использованием комплексного показателя защитной способности, что позволило значительно увеличить срок эффективного использования защитной жидкости.

9 Установлена возможность получения из отработанной защитной жидкости индустриального масла И-20А с выходом до 90 % мае. с помощью избирательного растворителя метилэтилкетона.

10 Предложено использовать отработанную защитную жидкость в качестве дисперсионной среды литиевой пластичной смазки и компонента плёнкообразующего нефтяного состава на битумной основе.

11 Разработан консервационный материал, включающий отработанную защитную жидкость, ингибитор коррозии Телаз-ЛСа и деэмульгатор Нефтенол БС, превосходящий по эксплуатационным свойствам существующий состав для консервации оборудования в одном цикле с гидроиспытанием - ВНИИНМ-33/80.

Список опубликованных работ

1 Татур И.Р., Немсадзе Г.Г., Шарафутдинова Д.В., Мусалов Ю.А. Выбор технологических параметров растворения высокомолекулярного полиизобутилена в индустриальном масле // Химия и технология топлив и масел. - 2009. - № 5. -С. 41 -42.

2 Шарафутдинова Д.В., Татур И.Р., Мусалов Ю.А., Сочёвко Т.И. Регенерация отработанных защитных жидкостей с применением избирательных

растворителей // Химия и технология топлив и масел. - 2010. —№ 1. - С. 12 - 14.

23

3 Татур И.Р., Яковлев Д.А., Шереметова A.A., Спиркин В.Г., Шарафутдинова Д.В. Коррозионное разрушение резервуарного оборудования в теплофикационных и охладительных системах водоснабжения // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. - № 3. - С. 23-28.

4 Татур И.Р., Шарафутдинова Д.В., Яковлев Д.А., Шереметова A.A., Спиркин

B.Г. Методы защиты резервуарного оборудования систем теплоснабжения от коррозии // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. - № 9. -

C. 5-7.

5 Татур И.Р., ШарафутдиновОД.В., Спиркин В.Г., Шеронов Д.Н. Применение защитных жидкостей для обеспечения надежной работы оборудования систем горячего водоснабжения энергетических предприятий // Труды российского государственного университета имени И.М. Губкина: сб. науч. трудов. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. — 2013.-№ 1 (270).-С. 119- 131.

6 Тонконогов Б .П., Татур И.Р., Шарафутдинова Д.В. Защитные жидкости для баков-аккумуляторов энергетических предприятий // Материалы 63-й международной студенческой научной конференции «Нефть и газ 2009». - Москва. -2009.-С. 59.

7 Татур И.Р., Мусалов Ю.А., Шарафутдинова Д.В. Применение герметизирующих жидкостей для защиты от коррозии и предотвращения испарения воды в баках-аккумуляторах // Материалы 4-й международной конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем». - Москва. - 2008. - С. 173.

8 Татур И.Р., Мусалов Ю.А., Шарафутдинова Д.В., Тен Л.Б. Методика оценки срока защиты баков-аккумуляторов герметизирующими жидкостями после 4-х лет эксплуатации II Материалы 4-й Международной конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем». - Москва. — 2008. - С. 188 - 190.

9 Шарафутдинова Д.В., Татур И.Р., Мусалов ЮА., Сочевко Т.Н. Применение отработанных защитных жидкостей И Материалы 5-й Международной конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем». - Москва. - 2008. — С. 141 - 142.

10 Татур И.Р., Иванов С.Я., Шарафутдинова Д.В. Применение низкомолекулярных загустителей в защитных жидкостях баков-аккумуляторов горячего водоснабжения // Материалы 6-й Международной конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем». - Москва. - 2008. - С. 112-113.

11 Татур И.Р., Мишанов В.В., Шарафутдинова Д.В., Спиркин В.Г. Исследование вязкостно-температурных свойств защитных жидкостей для баков-аккумуляторов горячего водоснабжения // Материалы 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». — Москва. — 2012. — С. 221 - 222.

12 Татур И.Р., Мишанов В.В., Шарафутдипова Д.В., Спиркин В.Г. Исследование антиаэрационных свойств защитных жидкостей для баков-аккумуляторов горячего водоснабжения // Материалы 9-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». - Москва. — 2012. - С. 228.

13 Шарафутдинова Д.В., Пиголева И.В., Шеронов Д.Н., Спиркин В.Г., Татур И.Р. Исследование поверхностных свойств защитных жидкостей // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы нефтегазовой отрасли». - Оренбург. - 2012. - С. 240 - 244.

Подписано в печать:

24.04.2013

Заказ № 84 20 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА» (РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина)

На правах рукописи

04201356381

ШАРАФУТДИНОВА ДИНА ВАЗИРОВНА

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ БАКОВ-АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

05.17.07 - Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Спиркин Владимир Григорьевич

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

С.

АННОТАЦИЯ........................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..............................8

1.1 Основные факторы, влияющие на характер и кинетику коррозии резервуарного оборудования..................................................................10

1.2 Методы защиты резервуарного оборудования систем

теплоснабжения от коррозии..................................................................18

1.3 Защитные жидкости для баков-аккумуляторов горячего

водоснабжения энергетических предприятий..................................................22

1.3.1 Состав и свойства производимых защитных жидкостей..................22

1.3.2 Технология применения защитных жидкостей..............................29

1.3.3 Срок службы защитных жидкостей.............................................31

1.4 Утилизация отработанных защитных жидкостей....................................32

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................34

2.1 Объекты исследования.....................................................................34

2.1.1 Характеристика масла............................................................34

2.1.2 Характеристика полимеров.....................................................36

2.1.3 Характеристика ингибиторов...................................................39

2.1.4 Характеристика деэмульгаторов................................................40

2.1.5 Характеристика битумов.........................................................42

2.1.6 Характеристика ВНИИНМ-33/80 ..............................................43

2.2 Методы исследования................................................................................44

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАГУСТИТЕЛЯ НА

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЗАЩИТНОЙ ЖИДКОСТИ.................51

3.1 Влияние молекулярной массы полиизобутилена

на вязкость защитной жидкости...............................................................51

3.2 Исследование эксплуатационных свойств защитных жидкостей

на основе низкомолекулярных полимеров..................................................58

3.2.1 Вязкостные свойства..............................................................59

3.2.2 Газопроницаемость................................................................64

3.2.3 Защитные свойства.................................................................66

3.2.4 Поверхностные свойства........................................................69

4 ОЦЕНКА СРОКА СЛУЖБЫ ЗАЩИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ БАКОВ-

АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ..............................75

4.1 Прогнозирование срока защиты бака-аккумулятора

защитными жидкостями после 4-х лет эксплуатации.....................................75

4.2 Пример определения срока службы защитной жидкости

АГ-4И после 4-х лет эксплуатации...........................................................80

5 УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ЗАЩИТНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ......................................................................................83

5.1 Контактная очистка с использованием адсорбентов.................................83

5.2 Очистка с использованием избирательных растворителей.........................86

5.3 Использование отработанной защитной жидкости в качестве компонентов товарных смазочных и консервационных продуктов....................93

5.3.1 Пластичная литиевая смазка.....................................................93

5.3.2 Консервационный состав ВНИИНМ-33/80 ....................................94

5.3.3 Пленкообразующие ингибированные нефтяные составы...............103

ВЫВОДЫ..........................................................................................110

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...................................................................112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЛИТЕРАТУРЫ......................113

Приложение А (обязательное). Справка об использовании

методики и технологических режимов при производстве

герметизирующей (защитной) жидкости АГ-4И.............................................119

Приложение Б (обязательное). Методика оценки срока защиты

баков-аккумуляторов герметизирующими жидкостями после

4-х лет эксплуатации..........................................................................120

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена решению актуальной проблемы энергетической отрасли -предотвращению коррозионного разрушения резервуарного оборудования систем горячего водоснабжения. Работа заключается в исследовании физико-химических и эксплуатационных свойств защитных жидкостей, применяемых в качестве антикоррозионной защиты металлических баков-аккумуляторов горячего водоснабжения (БАГВ) в открытых системах теплоснабжения.

В работе рассмотрена возможность изменения состава используемой в настоящее время защитной жидкости АГ-4И путём применения в качестве загущающего компонента низкомолекулярных полимеров вместо высокомолекулярных полиизобутиленов с целью расширения сырьевой базы и усовершенствования технологического процесса производства.

Разработана методика оценки состояния защитной жидкости для определения возможности увеличения её срока службы сверх установленного нормативно-технической документацией без ущерба для оборудования.

Особое внимание в работе уделено проблеме утилизации отработанной защитной жидкости. Рассмотрены возможности применения методов контактной очистки и избирательных растворителей для получения базового масла из отработанных защитных жидкостей, а также рассмотрены варианты их утилизации использованием в качестве компонентов смазочных и консервационных материалов.

Диссертация изложена на 130 листах машинописного текста и состоит из аннотации, введения, пяти глав, выводов, списка сокращений, списка использованных источников литературы. Библиография включает 63 наименования источников. Диссертация включает 37 таблиц, 26 рисунков, 2 приложения и оформлена согласно ГОСТ Р 7.0.11 - 2011 «Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления».

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Обеспечение надёжного функционирования систем централизованного тепло- и водоснабжения городов и промышленных предприятий является важной задачей энергетической отрасли. Основной причиной недолговечности теплосетей является коррозионное разрушение оборудования, срок службы насосов при этом сокращается до 3 раз, резервуаров и теплообменного оборудования — до 4 раз, трубопроводов - до 10 раз по сравнению с проектируемым [1]. Исследования городских теплосетей свидетельствуют, что основной причиной коррозионного разрушения оборудования является внутренняя коррозия, обуславливаемая в ряде случаев лишь на 10 % нарушениями качества подпиточной воды, и на 90 % повторным насыщением воды кислородом, несмотря на качественную водоподготовку [2]. Коррозионному разрушению особенно подвержены баки-аккумуляторы горячего водоснабжения, предназначенные для хранения запаса воды, необходимой для выравнивания потоков и бесперебойной подачи воды потребителям независимо от пиковых нагрузок. Температура подаваемой воды может достигать 95 °С [3].

Для защиты поверхности баков-аккумуляторов от коррозии используются защитные жидкости типа АГ-4И, представляющие собой растворы высокомолекулярных полимеров в минеральном масле. Согласно классификации смазочных материалов, индустриальных масел и родственных продуктов (класс Ь) по ГОСТ 28549.8-90 (ИСО 6743-8-87) защитные жидкости относятся к группе Я - продукты, обеспечивающие временную защиту от коррозии. «Временная защита» подразумевает возможность её удаления через определенное время (растворением, промывкой, механическим путем).

Создавая на поверхности воды плавающий слой, защитные жидкости способны предотвращать насыщение деаэрированной воды кислородом из окружающей среды, а также предотвращать испарение горячей воды [4, 5].

)

В настоящее время более 50 % энергетических предприятий на всей территории России используют защитные жидкости [6]. Объём производства защитных жидкостей составляет 1200 т/год.

Способ антикоррозионной защиты металлических резервуаров с применением защитных жидкостей разрабатывался во ВНИИНЕФТЕМАШ в период 1965 - 1978 гг. Результаты этих разработок легли в основу современного способа защиты баков-аккумуляторов с использованием защитных жидкостей. [1,7]. Однако в ранее проводимых исследованиях не рассматривалась возможность использования альтернативных загустителей в составе защитных жидкостей. До настоящего времени не существует обоснования срока службы защитных жидкостей, не предложены способы утилизации отработанных защитных жидкостей.

Цель и задачи исследования

Цель работы - повышение срока службы защитных жидкостей для баков-аккумуляторов энергетических предприятий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование физико-химических и эксплуатационных свойств защитных жидкостей на основе различных полимеров;

- разработка методики для оценки дополнительного срока службы защитной жидкости после истечения срока, установленного нормативными документами;

исследование возможности утилизации отработанных защитных жидкостей.

Научная новизна

1 Установлено, что наиболее эффективным средством антикоррозионной и антиаэрационной защиты баков-аккумуляторов горячего водоснабжения являются защитные жидкости, содержащие полиизобутилен с молекулярной массой 200 тыс. в концентрации 3,0 - 3,6 % мае.

2 Установлена зависимость поверхностных свойств защитной жидкости на основе высокомолекулярного полимера на границе раздела «жидкость-металл» от степени обработки металлической поверхности. Увеличение степени

шероховатости до 50 - 100 мкм приводит к снижению краевого угла смачивания до 10 - 12 град., работа адгезии при этом возрастает до 60 мН/м.

3 Показано, что в процессе регенерации отработанной защитной жидкости при оптимальных условиях: температуре (20 ± 2) °С и массовом соотношении избирательного растворителя метилэтилкетона к жидкости 1,5:1 величина энергии связи молекул экстрагента с углеводородами превышает величину их энергии связи с полиизобутиленом, что приводит к выделению полимера из раствора.

4 Установлено, что консервационный состав, содержащий 5 % мае. ингибитора коррозии - кальциевого производного продукта конденсации диэтаноламина с олеиновой кислотой и 1 % мае. деэмульгатора - блоксополимера этилена и пропилена на основе диэтаноламина обладает оптимальным сочетанием деэмульгирующих и защитных свойств. ,

Практическая значимость

1 Получена эмпирическая зависимость условной вязкости индустриального масла от концентрации высокомолекулярного полиизобутилена, позволяющая рассчитывать оптимальное соотношение компонентов защитной жидкости в процессе производства.

2 Разработана и внедрена методика оценки дополнительного срока службы защитных жидкостей для баков-аккумуляторов горячего водоснабжения после 4-х лет эксплуатации на энергетических предприятиях.

3 Предложены способы утилизации отработанных защитных жидкостей с получением консервационных и смазочных материалов.

Публикации и апробация работы

Основные положения диссертации изложены в 8 тезисах докладов конференций, 5 научных статьях изданий, рекомендованных ВАК, «Методике оценки срока службы защитных жидкостей после 4-х лет эксплуатации».

Благодарности

Автор выражает признательность доценту кафедры химии и технологии смазочных материалов и химмотологии Татуру Игорю Рафаиловичу за постоянную поддержку и помощь при выполнении работы.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ

ОБЪЕКТОВ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Основным фактором, определяющим надёжность и долговечность систем централизованного теплоснабжения, является коррозионное разрушение металлоемкого резервуарного оборудования, коммуникаций, насосов и арматуры, что неизбежно приводит к увеличению непроизводительных затрат при эксплуатации тепловых сетей и увеличивает расходы на ликвидацию последствий аварийных ситуаций. Так, на тепловых сетях ОАО «Мосэнерго», обеспечивающих 82 % потребности в тепле жилищно-коммунального сектора и предприятий в Москве фиксируется около 7 тыс. повреждений в год [8]. На протяжении длительного периода считалось, что основной причиной подобных разрушений является внешняя коррозия [9, 10]. По данным исследований ВТИ (Всероссийский теплотехнический институт) в тепловых сетях 12 городов России доля зафиксированных повреждений от внутренней коррозии составила в среднем 25 %. Но, учитывая характер проявления внутренней коррозии, этот показатель считается значительно заниженным — внутренняя коррозия имеет локальный характер и проявляется в виде язв, которые перерастают в свищи, увлажняют внешнюю поверхность и интенсифицируют внешнюю коррозию, фиксируемую как причина повреждения [11].

Коррозионное разрушение резервуарного оборудования, наиболее металлоемкого и сложного в эксплуатации, является особенно пагубным. Как показывает анализ собранных информационных материалов, срок службы резервуаров вместо предусмотренных 50 лет сокращается до 6 - 20 лет. На их ремонт расходуется 20 - 80 % от капитальных затрат [1].

К резервуарному оборудованию энергетических предприятий относятся баки-аккумуляторы горячего водоснабжения (БАГВ) в открытых системах теплоснабжения. Баки-аккумуляторы предназначены для поддержания запаса воды, необходимого для выравнивания потоков и бесперебойного отпуска

потребителям теплоносителя, независимо от пиковых нагрузок и обеспечения подпитки теплосети при резких изменениях расхода подпиточной воды. Баки-аккумуляторы представляют собой металлические цилиндрические ёмкости вместимостью от 100 до 20 ООО м3, рассчитанные для хранения воды с максимальной температурой 95 °С. Основные технические параметры производимых баков - аккумуляторов и типичные габариты представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 — Основные технические параметры баков-аккумуляторов

Наименование параметра Значение

Максимальная температура горячей воды, °С 95

Расчетная минимальная температура наружного воздуха, °С -40

Сейсмичность района строительства, баллы, не более 9

Ветровая нагрузка, кПа до 0,6

Снеговая нагрузка, кПа до 2,0

Таблица 2 - Типовые размеры производимых баков-аккумуляторов

Объём бака, м3 Высота, м Боковая поверхность, м2 Площадь, основания, м2

100 6,0 74,3 17,5

200 6,0 104,0 34,5

300 7,5 166,6 45,1

400 7,5 183,5 54,7

700 9,0 262,0 83,3

1000 12,0 355,7 83,3

2000 12,0 524,3 180,9

3000 12,0 655,5 282,8

5000 12,0 787,5 408,1

10000 12,0 1181,3 918,2

15000 12,0 1378,2 1249,7

20000 12,0 1526,0 1532,3

Производство баков осуществляется методом рулонирования или листовой сборки из низколегированной углеродистой стали марки ВСтЗпсб с последующим монтажом на площадке. Конструкции баков-аккумуляторов соответствуют требованиям типовых проектов, разработанных ЦНИИ

«Проектстальконструкция» и Гипрокоммунэнерго для баков вместимостью от

3

100 до 1000 м и типовых проектов, разработанных ЦНИИ «Проектстальконструкция» и ВНИПИэнергопром для баков вместимостью от

3

2000 до 20000 м . Баки-аккумуляторы комплектуются площадками обслуживания, ограждениями на крыше, лестницей, люками, уровнемерами, а также предусматривается конструкция защиты от лавинообразного разрушения [4,5, 12, 13]. В связи с режимом работы, баки-аккумуляторы наиболее подвержены интенсивному износу под влиянием коррозионных процессов.

1.1 Основные факторы, влияющие на характер и кинетику коррозии резервуарного оборудования

Коррозия представляет собой процесс разрушения металла в результате химических или электрохимических процессов. В условиях теплосети преобладает электрохимическая коррозия - коррозия металла в электролитах, протекающая независимо от типа и количества электролита. Для протекания процесса достаточно слоя влаги толщиной несколько десятков миллимикрон. Основное отличие электрохимического механизма коррозии от химического в том, что взаимодействие раствора с металлом происходит по двум самостоятельным, но сопряженным друг с другом процессам: анодным и катодным. В анодном процессе происходит непосредственный переход атомов металла в раствор в виде ионов. Возможность протекания этого процесса определяется взаимодействием атомов металла с молекулами воды при этом на

анодных участках поверхности металла (Ме) образуются избыточные электроны (е" ):

Ме + ш Н20 -► Ме п+ • ш Н20 + п е"

В катодном процессе происходит ассимиляция остающихся в металле избыточных электронов каким-либо окислителем (Ох), который в результате этого процесса восстанавливается:

Ох + пе ~ -► [Ох • пе

Если бы в системе не происходили катодные процессы, то анодный процесс должен был бы прекращаться. Приближенные расчеты показывают, что переход всего 1 % монослоя поверхностных атомов металла в в�