Расчетный метод определения применимости материалов для трубной системы подогревателей сетевой воды
При лабораторных испытаниях на коррозию медных сплавов Л68, Л070-1 и МНЖ5-1 учитывали влияние всех параметров, действие которых следовало проследить в специально заданных и точно соблюдаемых лабораторных условиях для получения количественных закономерностей. Результаты этих испытаний показали, что латуни Л68 и Л070-1 и медно-никелевый сплав МЙЖ5-1 обычно подвергаются равномерной коррозии, которая развивается во времени по параболическому закону, а ее зависимость от температуры имеет экспоненциальный характер. Для определенных условий испытания получены параметрические диаграммы коррозии трех исследованных сплавов, позволяющие рассчитать глубину их коррозии при различных сочетаниях температуры и времени в широких интервалах их изменения.
Лабораторные опыты позволили выявить влияние состава сетевой воды, а также величины рН воды на коррозионную стойкость сплавов [2]. Эти данные удобно представить в безразмерном виде с тем, чтобы их можно было использовать для определения применимости сплавов в ПСВ.
В качестве безразмерных характеристик коррозионной стойкости сплавов, зависящих от влияния отдельных параметров водной среды, примем отношения удельных потерь массы сплава при некотором значении параметра к удельным потерям массы при малой величине параметра, равной или близкой к минимальной в условиях эксплуатации ПСВ. Эти отношения назовем коэффициентами агрессивности воды, определяемыми влиянием отдельных параметров. Например, коэффициент агрессивности воды К8> зависящий от общего солесодержания воды, будем определять как отношение удельной потери массы сплава в воде при некотором солесодержании (<7) к потере массы сплава в воде с солесодержанием 100 мг/кг при той же температуре и длительности испытания, а также при одинаковых значениях остальных параметров воды
Аналогичным образом рассчитаем коэффициенты агрессивности воды, зависящие от содержания в ней хлор-ионов (/Сс1~)> растворенного кислорода (/Со*)» углекислого газа и величины рН воды. При этих расчетах в качестве минимальных значений параметров используем следующие:' Ссг-= =20 мг/кг, Со2=0 мкг/кг, СсО2=0 мг/кг, рН=7,5 (где С — концентрация компонентов воды). Значения коэффициентов агрессивности по результатам лабораторных опытов представлены в виде зависимостей этих коэффициентов от величины соответствующего параметра.
Из сравнения данных рис. 1 с параметрами воды в условиях эксплуатации ПСВ следует, что значения коэффициентов агрессивности встречаются на практике самые разнообразные. Чтобы легче было судить о диапазоне их изменения, в табл. 1 включены значения коэффициентов, наиболее часто встречающиеся, или наиболее вероятные значения и экстремальные.
Располагая безразмерными коэффициентами агрессивности, можно перейти к коэффициенту агрессивности воды /Саг» который характеризует коррозионные свойства воды любого состава. Так как в настоящее время нет сведений о взаимном влиянии отдельных 'параметров воды, будем в первом приближении считать, что они влияют на коррозию металла независимо друг от друга. Тогда общий коэффициент агрессивности воды /Саг может быть определен как произведение отдельных коэффициентов агрессивности, зависящих от влияния только одного параметра.
В этом произведении не учитывается влияние карбонатной жесткости, так как оно, как правило, положительное. Тенденция положительного влияния повышенной карбонатной жесткости входит таким образом в «коррозионной прочности» материала при оценке агрессивности воды по приведенной формуле. При определении общего коэффициента агрессивности воды не учитывается также наличие в ней аммиака. Коэффициент агрессивности принят равным единице, так как содержание аммиака в сетевой воде не превышает 2 мг/кг, а его влияние на коррозию медных сплавов наблюдается при больших концентрациях.
Рассчитав коэффициенты агрессивности воды, можно связать результаты эксплуатационных наблюдений коррозии латуни Л68 на ТЭЦ и результаты лабораторных опытов.
На рис. 2 показаны зависимости средней скорости язвенной коррозии латуни Л68 в условиях эксплуатации ПСВ от величины отдельных коэффициентов агрессивности воды, зависящих от солесодержания, концентрации в воде хлор-ионов и значения рН.
Подобная картина получена также для скорости роста язв в трубах ПСВ при температуре 110 °С в зависимости от общего коэффициента агрессивности воды (рис. 3). На рис. 3, кроме значений скорости язвенной коррозии, указаны также значения равномерной коррозии. Данные, приведенные на рис. 3, позволяют считать, что существует некоторое предельное значение коэффициента агрессивности, выше которого латунь Л68 подвергается язвенной коррозии. Значение коэффициента /Саг ПРИ температуре 110 °С, как видно из рис. 3, равно 1,5.
Таким образом, результаты совместной обработки лабораторных и эксплуатационных данных показывают их соответствие.
При разработке метода определения применимости медных сплавов для изготовления трубчатых поверхностей нагрева ПСВ будем исходить из следующих положений. 1. Состав водной среды при эксплуатации ПСВ допускается лишь таким, при котором материал труб ПСВ не подвергается язвенной коррозии. 2. При определении степени агрессивности воды учитывается ее общее солесодержание, концентрация хлор-ионов, растворенного кислорода и углекислого газа и величина рН. 3. Влияние на коррозионный процесс перечисленных параметров водной среды предполагается независимым» что позволяет вычислять общий коэффициент агрессивности воды в виде произведения отдельных коэффициентов агрессивности, каждый из которых зависит от одного параметра. 4. Допускается, что существует граничное значение коэффициента агрессивности воды, определяющее переход от равномерной коррозии сплава к язвенной. 5. Учитывается, что величина граничного значения коэффициента агрессивности зависит от температуры, снижаясь при ее увеличении.
6. Все расчеты производятся в предположении, что срок службы трубной системы ПСВ должен составлять не менее 100 ООО ч.
Исходя из этих положений, предлагается следующий метод расчета. Вначале необходимо вычислить коэффициент агрессивности воды, на которой будет эксплуатироваться ПСВ. Для этого необходимо знать ее солесодержание, концентрацию хлор-ионов, кислорода и углекислого газа и величину рН. Затем по графикам, представленным на рис. 1, определяют отдельные коэффициенты агрессивности и по ним рассчитывают величину общего коэффициента агрессивности воды /Саг- После этого необходимо определить величину граничного коэффициента агрессивности. Из приведенных ранее данных следует, что этот коэффициент для латуни Л68 при температуре 110 °С равен 1,5. Будем в дальнейшем называть граничный коэффициент допускаемым коэффициентом агрессивности воды и обозначать его Лдоп, так как при больших величинах коэффициента агрессивности воды происходит язвенная коррозия.
Ввиду того, что все виды коррозии, в том числе и язвенная, интенсифицируются при повышении температуры, следует определять значения Кцоп в зависимости от температуры. Так как нас интересует сравнительно узкий интервал температуры применительно к условиям эксплуатации ПСВ, можно в качестве первого приближения принять обратную пропорциональную температурную зависимость допускаемого коэффициента агрессивности воды /Сд0п=^/7,> где % — коэффициент, зависящий дт материала и условий коррозии, К; Т — абсолютная температура, К.
По этой формуле рассчитаны значения допускаемых коэффициентов агрессивности для латуни Л68 при разных температурах.
Определение допускаемых коэффициентов агрессивности воды для сплавов Л070-1 и МНЖ5-1 не может быть осуществлено подобным же образом из-за отсутствия для этих материалов соответствующих количественных эксплуатационных данных Исходя из соотношения скоростей коррозии латуней Л070-1 и Л68 и учитывая одинаковый механизм их коррозии, примем, что значения допускаемых коэффициентов у первой из них в 1,25 раза выше, чем у второй во всем диапазоне температур от 80 до 200 °С. Исходя из соотношения скоростей коррозии латуни Л68 и сплава МНЖ5-1 и учитывая значительно меньшую склонность сплава МНЖ5-1 к язвенной коррозии, примем для него значения допускаемых коэффициентов в 2 раза выше, чем для Л68. Результаты расчетов допускаемых коэффициентов агрессивности воды для сплавов Л070-1 и МНЖ5-1 приведены в табл. 2.
Зная значения коэффициента агрессивности среды Ка г и допускаемого коэффициента Адоп, можно определить, пригоден ли материал для изготовления поверхностей нагрева ПСВ. Очевидно, при выполнении условия допустимо применение сплава без опасности его язвенной коррозии; если же материал применять нельзя.
Во втором случае для того, чтобы материал все же можно было использовать для проектируемого ПСВ, следует или понизить температуру при данных параметрах воды, или «смягчить» параметры воды при сохранении неизменной температуры. Определить необходимые величины температуры и параметров можно,
Применять описанный метод можно, если соблюдаются обычные скорости потока воды [1]: до 2,2 м/с при использовании латуней Л68 и Л070-1 и до 2,7 м/с при использовании сплава МНЖ5-1.