Кислородная коррозия в котле и теплосети: причины, признаки и как связать кислород

Свищ в экономайзере, язвы на трубах при ремонте, бурая вода в обратке теплосети — за этим часто стоит одна причина: растворённый в воде кислород. Он разрушает сталь не равномерно, а точечно, поэтому толщинометрия по случайным точкам может показать «норму», пока одна язва уже дошла до сквозного отверстия. Ниже разбираем, откуда кислород попадает в котёл и теплосеть, как распознать кислородную коррозию, какие нормы действуют и как удалить кислород из воды: деаэрацией и химическим связыванием.

Откуда кислород в котле и теплосети

Любая вода, контактировавшая с воздухом, содержит кислород. Сколько именно — зависит от температуры: чем холоднее вода, тем больше в ней газа. Водопроводная вода обычно несёт 7–8 мг/л.

Температура воды, °C	Растворённый кислород при контакте с воздухом, мг/л
10	11,3
20	9,1
40	6,4
60	4,7
80	2,8
90	1,6
100	≈ 0

Для сравнения: норма для подпиточной воды водогрейных котлов — не более 0,05 мг/кг. Это в 180–220 раз меньше, чем в холодной исходной воде.

Основные пути, которыми кислород попадает в систему:

• Подпитка недеаэрированной водой — самый мощный источник. Каждый кубометр подпитки приносит свежую порцию кислорода.
• Неисправный или перегруженный деаэратор: недогрев воды, недостаточный выпар, засорённые форсунки.
• Подсосы воздуха через уплотнения насосов на всасе, фланцы и участки под разрежением, в том числе в конденсатном тракте.
• Баки-аккумуляторы и питательные баки, открытые воздуху, без паровой подушки или герметика.
• Утечки в теплосети: чем больше теряется сетевой воды, тем больше подпитки и тем больше кислорода.
• Простои: при дренировании котла влажная поверхность металла контактирует с воздухом — так развивается стояночная коррозия.

Как идёт кислородная коррозия

Это электрохимический процесс. На анодном участке железо переходит в раствор в виде ионов, на катодном кислород восстанавливается до гидроксид-ионов. В итоге образуются гидроксиды и оксиды железа. Нагрев ускоряет обе реакции, поэтому горячая вода с кислородом опаснее холодной.

Главная опасность в характере разрушения. Вместо равномерного утонения стенки металл уходит в отдельных точках. Над язвой нарастает бугорок из продуктов коррозии, под ним среда становится ещё агрессивнее, и язва продолжает углубляться. Размер бугорка не говорит о глубине язвы: под небольшим наростом может оказаться почти сквозное поражение.

В паровом котле часть кислорода уходит с паром, поэтому сильнее всего страдают питательный тракт, экономайзер и входные участки — там вода уже горячая, а кислород ещё в ней. В водогрейном котле и теплосети паровой фазы нет: кислород циркулирует с водой, пока не прореагирует с металлом труб, котла и теплообменников.

Вторичный эффект — железооксидные отложения. Продукты коррозии переносятся водой и оседают на поверхностях нагрева. Слой оксидов железа плохо проводит тепло: котёл сжигает больше топлива, металл труб перегревается.

Признаки кислородной коррозии

• Язвы с бурыми бугорками на внутренней поверхности труб, в экономайзере, барабане, на входных участках водогрейного котла. Под бугорком обычно чёрный слой и углубление.
• Рост содержания железа в котловой, сетевой или питательной воде; бурая или мутная вода после пусков и переключений.
• Свищи на питательных трубопроводах и в трубах теплосети при относительно «чистой» остальной поверхности.
• Кислород в подпиточной воде после деаэратора выше 50 мкг/кг.
• Язвы и большая потеря массы на образцах-свидетелях коррозии.
• Признаки плохой работы деаэратора: вода в баке заметно холоднее температуры насыщения при его давлении, слабый выпар.

РД 24.031.120-91 именно по железу, кислороду и pH предлагает оценивать интенсивность коррозии в теплосети.

Нормы: сколько кислорода допустимо

Для водогрейных котлов действуют нормы РД 24.031.120-91. Значения одинаковы для открытых и закрытых систем:

Температура сетевой воды на выходе из котла, °C	115	150	200
Растворённый кислород в сетевой воде, мкг/кг, не более	50	30	20

Для подпиточной воды предел — 50 мкг/кг. Тот же документ называет кислородомер на напорной линии подпиточных насосов самым важным прибором непрерывного контроля.

Для питательной воды паровых котлов требования жёстче и зависят от давления; их задают нормативы и режимная карта котла. Современные деаэраторы рассчитывают на остаточный кислород 7 мкг/кг и ниже.

Пример расчёта. Теплосеть подпитывается 10 м³/ч недеаэрированной воды при 10 °C. В ней около 11 мг/л кислорода — это 110 г в час, или 2,6 кг в сутки. По реакции окисления железа каждый грамм кислорода переводит в продукты коррозии 2,3–3,5 г стали, то есть в пределе 6–9 кг металла в сутки. Если же подпитка соответствует норме 50 мкг/кг, в систему приходит 12 г кислорода в сутки — в 220 раз меньше.

Как удалить кислород из воды: деаэрация

Первая ступень — механическая. Растворимость газа падает с нагревом, поэтому воду доводят до кипения при давлении в аппарате, а выделившиеся газы отводят с выпаром.

• Атмосферный деаэратор работает при небольшом избыточном давлении и температуре чуть выше 100 °C. Это основной вариант для паровых котельных.
• Вакуумный деаэратор дегазирует воду при 60–70 °C — по РД 24.031.120-91 так готовят подпитку теплосетей из воды питьевого качества.
• Питательный бак с барботажным нагревом — вариант для небольших паровых котлов без деаэратора. Бак держат горячее 85 °C, но довести воду до кипения не дают кавитация питательных насосов. При недогреве до кипения на 6–8 °C в воде остаётся около 2 мг/л кислорода — его нужно связывать химически.

Работу деаэратора проверяют не только анализом. Температура воды в баке должна почти совпадать с температурой насыщения при давлении в аппарате; если она ниже больше чем на градус, пар плохо перемешивается с водой — чаще всего виноваты форсунки. Отдельно следят за выпаром: без него газы остаются в аппарате.

Баки-аккумуляторы горячей воды защищают от повторного насыщения кислородом: паровой подушкой, герметиком, вводом и выводом воды через нижний распределитель.

Как связать кислород химически

Даже хороший деаэратор оставляет следы кислорода, а при сбоях — заметно больше. Остаток связывают деоксидантом — восстановителем, который реагирует с кислородом раньше металла.

• Сульфит, бисульфит, пиросульфит натрия. Самые распространённые деоксиданты для котлов низкого и среднего давления: недорогие, быстро реагируют, остаток легко определить титрованием. Катализатор ускоряет реакцию в холодной воде. Ограничения: продукт реакции — сульфат — повышает солесодержание, а выше примерно 60 бар сульфит разлагается с образованием сернистого газа и сероводорода.
• Летучие деоксиданты — карбогидразид, диэтилгидроксиламин и подобные. Не добавляют солей и уходят с паром, поэтому подходят для котлов высокого давления и защиты конденсатного тракта.
• Гидразин. Эффективен, но токсичен и считается вероятным канцерогеном. Для подпиточной и сетевой воды теплосетей РД 24.031.120-91 его прямо запрещает, как и токсичные амины.

В открытых системах, где горячая вода идёт на водоразбор, допустимы только реагенты, разрешённые для контакта с питьевой водой. РД 24.031.120-91 допускает сульфитное обескислороживание только в закрытых системах, поэтому применимость реагента для открытой системы мы сверяем с действующими нормами на объекте.

Что предлагаем мы:

• PUROFLOCK 11 — катализированный деоксидант на пищевом бисульфите натрия. Работает уже при обычной температуре, рассчитан на системы до 40 атм, не окрашивает воду и разрешён для котлов, где пар контактирует с пищевыми продуктами. Подходит для питательной воды котлов и подпитки систем теплоснабжения. Вводится после деаэратора перед питательным насосом, контроль — по остаточному сульфиту.
• PUROFLOCK 10 — комплексный продукт для паровых котлов низкого и среднего давления: катализированный сульфит связывает кислород, полифосфаты и дисперсант предотвращают накипь и переводят соли в шлам. Способствует образованию защитной магнетитной плёнки.
• PUROFLOCK 110F — ингибитор коррозии и накипеобразования на основе цинкового комплекса фосфоната для тепловых сетей, в том числе с открытым водоразбором. Удаление кислорода он не отменяет, но в аэрированной воде образует на металле защитный слой и снижает вынос железа. Его рекомендуем, когда деаэрация работает нестабильно.

Дозу подбираем по анализу воды: она зависит от количества кислорода, температуры и расхода подпитки.

Что делать: пошагово

1. Измерить кислород в правильных точках: после деаэратора, на напоре подпиточных насосов, в прямой и обратной сетевой воде. Пробоотборную линию перед отбором продувают. Для малых концентраций нужен кислородомер или индигокарминовый метод, а не грубые тесты.
2. Проверить деаэратор: давление и температуру в баке, выпар, подачу пара, нагрузку против паспортной.
3. Найти источники подсоса и потерь: уплотнения насосов, открытые баки, утечки в теплосети.
4. Подобрать деоксидант под тип системы, давление и требования к воде. Прикинуть, сколько кислорода нужно связать, поможет калькулятор растворимости кислорода и дозы деоксиданта.
5. Дозировать пропорционально расходу. Ручная подача «по графику» даёт то недостаток, то перерасход. Реагент вводят насосом-дозатором после деаэратора; для постоянной работы подойдут станции дозирования СТОРКТЭК с насосами-дозаторами, сигнализацией уровня и резервным насосом.
6. Контролировать результат: остаточный деоксидант, кислород, железо и pH по режимной карте. Скорость коррозии оценивают по образцам-свидетелям в потоке — по потере их массы.

Пример из нашей практики: Речицкая ТЭЦ, водогрейные котлы ПТВМ-30М. Теплосеть подпитывалась умягчённой недеаэрированной водой с кислородом до 4000 мкг/дм³. Мы разработали схему химической деоксидации на PUROFLOCK 11 с коррекцией pH и поставили автоматическую станцию дозирования. Кислород в подпиточной и сетевой воде держится не выше 50 мкг/дм³.

Если в котле или теплосети появились язвы, свищи или растёт железо в воде, пришлите анализ подпиточной и сетевой воды с данными о деаэраторе или заполните опросный лист для котельных. Подберём водно-химический режим, реагенты и схему дозирования под ваш объект.