ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОРРОЗИИ ОЦИНКОВАННЫХ ТРУБ В СИСТЕМЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1Андрианов Алексей Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры Водоснабжения и водоотведения, НИУ МГСУ,

129997, Москва, Ярославское шоссе, 26,

тел.: (499) 183-36-29, e-mail: AndrianovAP@mgsu.ru

2Чухин Валентин Александрович, кандидат технических наук, учебный мастер кафедры Водоснабжения и водоотведения, НИУ МГСУ,

129997, Москва, Ярославское шоссе, 26,

тел.: (499) 183-36-29, e-mail: sigma85@yandex.ru

Аннотация

В статье приведены данные по исследованию и применению нового способа идентификации коррозии систем внутреннего водопровода, изготовленных из стальных оцинкованных труб. Способ может быть использован для периодического мониторинга технического состояния систем холодного и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, выполненных из стальных оцинкованных труб. Способ основан на определении в составе осадка на тестовом образце продуктов коррозии трубопроводов и оборудования, в частности цинка и меди. Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность его применения непосредственно с начала эксплуатации системы водоснабжения, а также сокращение времени для идентификации наличия коррозии трубопроводов и оборудования в ходе продолжительной эксплуатации.

Ключевые слова: внутреннее водоснабжение зданий, коррозия, качество воды, идентификация коррозии, стальная труба, цинковое покрытие.

CORROSION IDENTIFICATION OF GALVANIZED PIPES IN WATER SUPPLY SYSTEMS

1Andrianov Alexey Petrovich, PhD, Assistant Professor of the Department of Water Supply and Water-removal, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University),

129997, Moscow, Yaroslavskoye Shosse, 26,

tel.: (499) 183-36-29, e-mail: AndrianovAP@mgsu.ru

2Chukhin Valentin Aleksandrovich, PhD, Assistant Professor of the Department of Water Supply and Water-removal, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University),

129997, Moscow, Yaroslavskoye Shosse, 26,

tel.: (499) 183-36-29, e-mail: sigma85@yandex.ru

Abstract

The article presents data on the study and application of a new method for corrosion identification in internal water supply systems made of galvanized steel pipes. The method can be used for periodic monitoring of the technical condition of cold and hot plumbing for residential, public and industrial buildings made of galvanized steel pipes. The method is based on determining corrosion products of pipelines and equipment, in particular zinc and copper, in the sediment formed on test coupon. The technical result of the invention is the possibility of its use directly from the beginning of operation of the water supply system, as well as fast identification of corrosion process occurring in pipelines and equipment during long-term operation.

Keywords: plumbing, corrosion, water quality, corrosion identification, steel pipe, galvanized pipe.

Целью диагностики состояния трубопроводов систем хозяйственно-питьевого водопровода является обеспечение их безаварийной эксплуатации и, соответственно, бесперебойная подача воды потребителям. В связи с этим основной задачей технической диагностики является выявление потенциально опасных участков трубопроводов, определение степени их поражения и необходимых мер для проведения восстановительных работ.

В настоящее время существует большое разнообразие методов диагностики и мониторинга состояния трубопроводных систем с разным сочетанием оборудования для решения широкого круга задач. Для систем коммунального хозяйства это, прежде всего, своевременное обнаружение утечек воды и теплоносителя, которые появляются вследствие наружной и внутренней коррозии трубопроводов. С причинами, вызывающими коррозию стальных трубопроводов, можно ознакомиться в многочисленных литературных источниках [1, 2].

Для контроля за состоянием трубопроводов наибольшее распространение и применение получили визуально-измерительный, вихретоковый, акустико-эмиссионный, рентгенографический и тепловизионный контроль, магнитопорошковая дефектоскопия, контроль на основе ультразвукового метода (толщинометрия, дефектоскопия, ультразвуковой контроль (УЗК-скрининг), дюрометрический анализ (твердометрия), видеодиагностика (телеинспекция), контроль с использованием шумомеров (течеискателей), метод магнитной памяти металла и бесконтактное магнитометрическое обследование [3, 4].

Из перечисленных методов лидирующее место на практике при обследовании наружных трубопроводных сетей занимает видеодиагностика (телеинспекция с применением телевизионных роботов), а в последнее время – новый уникальный метод бесконтактного магнитометрического обследования.

Еще один из перечисленных способов контроля основан на использовании ультразвука, при котором на внешней стороне трубопроводов размещают ультразвуковые датчики для измерения толщины стенки трубы в местах, где имеется риск внутренней коррозии [5]. Недостаток данного способа заключается в том, что контроль за наличием общей или питтинговой коррозии осуществляется на незначительном и, как правило, только на доступном для установки датчиков участке трубопровода.

Однако, несмотря на наличие десятков способов контроля и вариантов их применения, эти методы для систем внутреннего водоснабжения не используют из-за известных ограничений при малых диаметрах труб и малой доступности коммуникаций. На практике наиболее простым способом контроля за коррозией трубопроводов внутренних систем холодного и горячего водоснабжения является отбор проб воды и измерение в них концентрации элементов, входящих в материал трубы и поступающих в воду в результате коррозии. Для стальных оцинкованных труб такими элементами являются железо и цинк. Недостатком указанного способа определения является незначительное увеличение концентрации измеряемого элемента в пробе воды, сопоставимое с погрешностью измерения концентрации этого элемента существующими методами химического анализа.

Наличие коррозии можно также определить при отборе воды после длительного перерыва в водопотреблении. Появление ржавой воды непосредственно после проведения профилактических работ не следует путать с наличием интенсивной коррозии. В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 содержание железа и цинка в водопроводной воде не должно превышать 0,3 и 5 мг/л, соответственно [6].

Более трудоемким, но и более информативным, является способ идентификации коррозии, предусматривающий установку и периодическую проверку извлекаемых металлических индикаторов коррозии в трубопроводах и оборудовании, подверженных внутренней коррозии [7, 8]. Согласно этому способу скорость коррозии определяют по потере веса индикаторного образца. Индикаторный образец в виде предварительно очищенных от продуктов коррозии пластин или отрезков труб размещают в трубопроводе или в оборудовании. К недостаткам способа следует отнести ограниченную область применения, так как его преимущественно используют для контроля за коррозией стальных труб без защитного покрытия. Кроме того, способ требует длительной экспозиции индикаторного образца в обследуемом трубопроводе и продолжительного времени на его установку и демонтаж.

Коррозия цинкового покрытия труб является естественным процессом и протекает аналогично коррозии стальных труб без покрытия, но с меньшей скоростью. При температуре воды до 50 °C и выше 90-95 °C продукты коррозии обладают достаточно высокими защитными свойствами, образуя на поверхности плотную сплошную пленку. Более высокая скорость коррозии цинка в воде наблюдается при температуре выше 55 °C. Максимум наблюдается при температуре 70 °C. После этого разрушение металла проходит очень медленно. Максимальная скорость коррозии цинка объясняется образованием рыхлой пленки, состоящей из Zn(OH)2, которая не имеет хороших защитных свойств, т.к. легко отслаивается. В нейтральных растворах коррозия цинка, как и железа, проходит с кислородной деполяризацией. Стандартный электрохимический потенциал цинка составляет -0,76 В, а железа -0,44 В. Поэтому в гальванической паре цинк-железо цинк является анодом, а железо – катодом [9].

При проведении наблюдения за системами водоснабжения с признаками коррозии с использованием современных средств инструментального анализа [10, 11] было обнаружено, что в составе коррозионного осадка содержится большое количество цинка и, в некоторых случаях, меди. Образцы осадка были отобраны с разных объектов непосредственно при проведении ремонтных работ. В осадке, удаленном из аэратора смесителя системы горячего водоснабжения индивидуального жилого дома, содержание цинка составляло примерно 37 % по массе. Причина коррозии – утечки тока из-за вышедшего из строя ТЭНа.

На рисунке 1 приведена спектрограмма, микрофотография и химический состав осадка, взятого на одном из обследованных объектов с внутренней поверхности скорродировавшего трубопровода.

   
   

Рисунок 1. – Спектрограмма, микрофотография и химический состав осадка, взятого из трубы системы ГВС, имеющей сквозные повреждения (а), фрагменты поверхности оцинкованной трубы с нарушенным цинковым покрытием (б, в, г).

Из приведенных данных элементного состава на рисунке 1,а видно, что осадок, закрывающий поверхность трубы, содержит в своем составе цинк и имеет пористую структуру, которая не препятствует проникновению кислорода. Поэтому начавшаяся коррозия будет продолжаться до тех пор, пока не появятся сквозные отверстия. В осадке нами был обнаружен цинк как в аморфной форме, так и в виде кристаллов. На рисунке 1,б приведена микрофотография нарушенного в результате коррозии слоя цинкового покрытия трубы Ду 100 мм, представляющего кристаллы оксида цинка ZnO. Очевидно, что это один из слоев цинка, образующегося при горячем цинковании, а именно ζ-фаза.

Приведенные выше наблюдения были положены в основу разработки нового способа идентификации коррозии. Суть предложенного способа [12] заключается в том, что предварительно подготовленный стальной индикаторный образец помещают в емкость под струю холодной или горячей воды в исследуемой системе водоснабжения, выполненной из стальных оцинкованных труб (в том числе включающую содержащие медь арматуру и теплообменники), выдерживают образец под струей до образования на поверхности прочно прикрепленных продуктов коррозии (осадка). После этого индикаторный образец извлекают из емкости, высушивают и определяют состояние системы водоснабжения по результатам измерения элементного состава осадка.

На рисунке 2 представлена схема, которая была использована для определения скорости коррозии и анализа состава коррозионного осадка на индикаторных образцах.

Рисунок 2. – Схема проведения эксперимента.

Для выполнения предложенного способа из новой стальной неоцинкованной трубы (диаметром 40 мм) были вырезаны две пластины, имеющие размеры 3х5 см и площадь 15 см2. Для удаления ржавчины и оксидной пленки, которая образуется на поверхности трубы на воздухе, образцы с внутренней стороны шлифовали наждачной бумагой до металлического блеска.

Подготовленный индикаторный образец помещали в емкость под струю холодной водопроводной воды на 2-6 часов с минимальным расходом 20-25 л/ч, обеспечивающим образование неразрывной струи. Струя падала с высоты 20-30 см в центр образца со стороны внутренней поверхности, которая в дальнейшем подвергалась анализу (см. рис. 2). Второй образец помещали под струю горячей воды при одинаковых условиях. Емкость, в которую помещали индикаторные образцы, должна обеспечивать полное погружение индикаторного образца в воду и его постоянный контакт с проточной водой. Материал, из которого выполнена емкость, не должен вступать в химическую реакцию с водой (стекло, керамика, пластик и т.д.).

При наличии коррозии в обследуемых трубопроводах положительные ионы цинка и/или меди, выделяющиеся с поверхности оцинкованных труб и теплообменников, осаждаются на свежеобразованных оксидах железа на катодных участках индикаторного образца. Эффект сорбции тяжелых металлов и других веществ на оксидах железа хорошо известен в литературе [13]. Повышение содержания кислорода в падающей струе воды при ее контакте с окружающим воздухом способствует усилению коррозии образца. После экспозиции образцы извлекали из воды, удаляли рыхлый осадок под сильной струей воды и высушивали.

Элементный состав осадка на поверхности образцов определяли на электронном сканирующем микроскопе Quanta 250 FEI с использованием метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Затем сравнивали результаты с фоновыми значениями, которые были определены после подготовки образцов. Результаты анализа для четырех обследованных объектов приведены в таблице 1. Заключение об интенсивности коррозии делали при превышении показателя по содержанию цинка и/или меди в осадке на поверхности образца.

Таблица 1. – Количественные результаты по идентификации коррозии стальных оцинкованных труб в ГВС с использованием индикаторов коррозии.

Опреде­ляемый

элемент

Объект №1

Москва, САО

Объект №2

Москва, ВАО

Объект №3

Мытищи

Объект №4

Москва, ЦАО

Wt%

At%

Wt%

At%

Wt%

At%

Wt%

At%

C

6,24

13,52

3,71

11,56

4,01

9,67

9,83

19,91

O

32,94

53,57

14,19

33,17

29,31

53,08

27,71

45,18

Na

-

-

-

-

1,49

1,88

-

-

Mg

-

-

-

-

0,42

0,50

1,02

1,02

Al

-

-

-

-

0,33

0,36

0,57

0,51

Si

1,19

1,10

0,40

0,53

1,99

2,05

0,70

0,61

S

-

-

0,11

0,13

-

-

0,78

0,59

Ca

26,66

17,31

0,12

0,11

1,11

0,80

41,13

24,97

Mn

-

-

0,50

0,34

-

-

-

-

Fe

19,09

8,89

80,24

53,74

59,00

30,61

9,86

4,30

Cu

7,62

3,12

0,36

0,21

0,30

0,14

-

-

Zn

6,27

2,49

0,38

0,22

2,03

0,90

4,83

1,80

Вывод

Сильная коррозия труб и теплообменника

Коррозия отсутствует

Слабая коррозия труб

Сильная коррозия труб

Примечания:

Wt% – весовые проценты, At% – атомные проценты.

Объект 1. Учебное заведение. Горячая вода готовится в ИТП. Сеть эксплуатируется с 1983 года. Магистральные трубопроводы имеют большую протяженность, проложены в подвале параллельно с другими коммуникациями.

Объект 2. Жилой дом, 5 этажей, в 1998 году трубы были заменены на новые, подвала практически нет. Снабжение от ЦТП микрорайона, также состоящего из аналогичных домов.

Объект 3. Жилой дом, 15 этажей, эксплуатируется с 2014 года, ЦТП. Коммуникации в подвале.

Объект 4. Жилой дом, 25 этажей, эксплуатируется с 2016 года, ИТП. Коммуникации в подвале.

Определяемый

элемент

Фоновые значения содержания элементов

на поверхности индикатора

Фактические значения содержания элементов

на поверхности индикатора, объект №1,

холодная вода

Фактические значения содержания элементов

на поверхности индикатора, объект №1,

горячая вода

Wt%

At%

Wt%

At%

Wt%

At%

C

1,55

6,52

3,02

8,35

2,61

8.75

O

1,25

3,94

22,27

46,22

10,68

26,85

Mg

0,25

0,52

0,29

0,40

0,54

0,90

Al

0,45

0,85

0,30

0,37

0,29

0,44

Si

0,48

0,86

0.61

0.73

1,74

2,49

P

0,20

0,33

0,24

0,25

0,11

0,14

S

0,16

0,26

0,25

0,26

0,09

0,12

Cl

0,10

0,14

0,14

0,13

0,10

0,11

K

0,03

0,03

0,06

0,05

0,06

0,06

Ca

0,03

0,04

0.16

0,13

1,24

1.24

Cr

0,12

0,12

0,18

0,12

0,17

0,13

Mn

0,53

0,49

0.36

0.22

0,56

0,41

Fe

94,61

85,71

70,88

42,14

76,36

54,99

Cu

0,15

0,12

0.34

0.18

1,37

0,87

Zn

0,09

0,07

0.89

0.45

4,06

2,50

Вывод

Слабая коррозия

Сильная коррозия

Для сокращения объема работ по подготовке индикаторного образца можно использовать один и тот же образец для последовательного определения наличия коррозии в системах ХВС и ГВС. С этой целью образец сначала помещают под струю холодной воды, высушивают и определяют состав осадка. Затем помещают образец с осадком под струю горячей воды и проводят определение состава и расчет скорости коррозии, если это необходимо. В таблице 2 приведены данные, полученные при использовании одного образца.

Таблица 2. – Количественные результаты по идентификации коррозии стальных оцинкованных труб в системе ХВС и ГВС с использованием одного индикатора коррозии.

Примечание: Wt% – весовые проценты, At% – атомные проценты.

Присутствие цинка в осадке в количестве более 4 % (объекты № 1 и 4) свидетельствует о наличии сильной коррозии; до 1-2 % (объект № 3) – слабой коррозии. Наличие меди говорит о коррозии водонагревателя, имеющего латунные трубки. На объекте №2 состав осадка примерно соответствовал фоновым значениям содержания элементов в составе металла индикаторного образца, поэтому был сделан вывод об отсутствии коррозии.

Выводы

  1. Предложенный способ идентификации коррозии позволяет уменьшить время выявления начальных проявлений интенсивной коррозии оцинкованных труб, снизить затраты на определение состояния труб, арматуры и водонагревателей и, как следствие, принять своевременные меры по предотвращению дальнейшего развития коррозионных процессов.
  2. Наиболее интенсивная коррозия наблюдается в зданиях, имеющих протяженные сети водопровода, проложенные параллельно с другими инженерными сетями, в том числе и с электрическими. Конкретные причины коррозии могут быть установлены только при проведении всестороннего обследования систем водоснабжения.

Список литературы

  1. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Сухотина. – Л.: Химия, 1989. – Пер. изд., США, 1985. – 456 с.
  2. Акользин П.А. Предупреждение коррозии оборудования технического водо- и теплоснабжения. – М.: Металлургия, 1988. – 95 с.
  3. ГОСТ Р 56542-2015. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. – М.: Стандартинформ, 2016.
  4. Чистякова А.В., Орлов В.А., Чухин В.А. Диагностика технического состояния металлических трубопроводов // Природообустройство. 2016. № 2. С. 48-54.
  5. Pipeline Corrosion. Final report. Submitted to U.S. Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration Office of Pipeline Safety Integrity Management Program Under Delivery Order DTRS56-02-D-70036, Submitted by Michael Baker Jr., Inc. Contributing Author Raymond R. Fessler, Ph.D. BIZTEK Consulting, Inc. November 2008.
  6. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения.
  7. Techniques for Monitoring Corrosion and Related Parameters in Field Applications. NACE International. Texas, 1999.
  8. Акользин А.П., Жуков А.П. Кислородная коррозия оборудования химических производств. – М.: Химия, 1985. – 240 с.
  9. Рейзин Б.Л., Стрижевский И.В., Сазонов Р.П. Защита систем горячего водоснабжения от коррозии – М.: Стройиздат, 1986. – 112 с.
  10. Чухин В.А., Андрианов А.П. Анализ причин коррозии оцинкованных труб в системах ГВС // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2018. №1, с. 54-58.
  11. Андрианов А.П., Чухин В.А., Смирновская А.М. Система горячего водоснабжения. Коррозия оцинкованных труб // Техника и технологии мира. 2015. № 7, с. 31-36.
  12. Патент на изобретение № 2666574 «Способ идентификации коррозии стальных оцинкованных труб в системах водоснабжения». Авторы: Чухин В.А., Андрианов А.П. Патентообладатель: НИУ МГСУ. Заявка №2017127973. Приоритет от 04.08.2017. Дата регистрации 11.09.2018. Срок действия до 04.08.2037.
  13. Лубенцова К.И., Пастухов А.В., Даванков В.А., Китаева Д.Х., Каранди И.В., Ильин М.М. Сорбция токсичных органических и неорганических соединений композитами с нанодисперсными оксидами железа в матрицах полистирольных сорбентов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. Т. 15. Вып. 3. С. 333-344.