Коррозионностойкие материалы

Проектирование градирни начинается с оценки условий эксплуатации и материалов. В испарительных градирнях для конструкционных материалов создаются крайне жёсткие условия, и протекающие там коррозионные процессы представляют собой сложную проблему. Любая градирня должна выдерживать комплексные негативные воздействия: коррозионную активность воды с неясным химизмом, высокие температуры, постоянную влажность и естественную аэрацию. Помимо этого, многие градирни подвергаются воздействию агрессивных веществ, растворённых в циркулирующей воде, а также различных атмосферных загрязнителей (например, оксидов серы) и кислотных дождей. При проектировании градирни такие факторы нельзя рассматривать отдельно от условий эксплуатации.

Существенно снизить негативное воздействие коррозии – либо вовсе избавиться от него – можно лишь с помощью тщательного подбора конструкционных материалов. Даже типовой проект градирни не должен применяться без проверки состава воды, температурного режима и материалов. Грамотное техническое обслуживание и обработка воды также способствуют продлению срока эксплуатации любой градирни, однако сделать его максимальным помогают лишь верные решения на этапах разработки спецификаций и монтажа. Использование типового проекта градирни без уточнения коррозионных рисков может сократить ресурс оборудования.

В данной статье предлагается обзор коррозионностойких конструкционных материалов, используемых в настоящее время в строительстве градирен, а также излагаются критерии выбора этих материалов и краткая история их применения. Далее в тексте следует определение «нормальных» эксплуатационных условий. Вся эта информация призвана помочь специалистам в оценке возможности применения в конкретных условиях тех или иных материалов, поставляемых производителями градирен на различные предприятия. В конце статьи предлагаются указания по подготовке требований к материалам при разработке спецификаций градирен, поэтому материал можно использовать как пособие по проектированию градирен для предварительной оценки конструкционных решений и как основу пособия по проектированию градирен при подготовке требований к материалам.

Определение коррозии

В данной статье коррозия определяется как комплекс химических, либо электролитических реакций ионов, простых веществ или их соединений (растворённых как в воде, так и в воздухе) с конструкционными материалами. В результате таких реакций конструкционные материалы утрачивают либо часть своей массы, либо свои полезные физические свойства. Согласно столь общему определению и ржавчина на стальных поверхностях, и химическое разъедание неверно подобранных полимерных элементов конструкций являются частными случаями коррозии.

Механизмам коррозии посвящено много литературы, где они описаны исчерпывающим образом. Поэтому здесь мы не станем отражать подробные объяснения процессов.

В самых общих чертах, коррозионные процессы в градирнях развиваются всякий раз, когда конструкционный материал вступает в контакт с химически или электролитически агрессивным для него веществом, количества которого достаточно для запуска реакции. Кроме того, для самопроизвольного запуска реакции необходимы определённые условия: например, присутствие некоего катализатора, либо внешнего источника тепла. Наконец, для устойчивого протекания реакции контакт материала конструкции с агрессивным веществом должен быть достаточно длительным. Правильный подбор конструкционных материалов для конкретной градирни достигается в ходе тщательного изучения предполагаемых для неё рабочих условий и состава коррозионно-активных веществ, а также физических и химических свойств самих конструкционных материалов. В рабочей документации раздел градирня проект должен фиксировать эти данные; в проекте градирни они влияют на выбор стали, стеклопластика и креплений.

К примеру, одного только наличия агрессивного вещества (ионов хлора и т. п.) даже при плохой защите стальных компонентов конструкции ещё не достаточно для запуска и полноценного протекания коррозионной реакции. Для этого хлор в достаточной концентрации должен вступить в непосредственный контакт с незащищённой стальной поверхностью. Важность этого уточнения станет понятной ниже, при обсуждении «нормальных» эксплуатационных условий.

Рекомендации по выбору материалов

Чертеж градирни должен отражать материалы ключевых узлов, зоны контакта с водой и особенности несущей конструкции. Большинство из читателей, вероятно, в общих чертах знакомы с конструкциями градирен из стали и стеклопластика FRP. Однако их описание лишь часть общей картины, поскольку в конструкциях градирен содержится множество других элементов из самых разнообразных материалов. Рассмотрим вначале основные конструкционные материалы градирен, а также основные положения, которыми руководствуются проектировщики градирен при подборе материалов. На уровне чертежа градирни важно показать участки, где коррозионная нагрузка будет максимальной.

Для этого нам понадобится представить градирню как систему из трёх отдельных компонентов или зон, в каждой из которых создаются особые нагрузки и эксплуатационные условия. В этой системе разработка конструкторской документации уточняет состав каркаса, оросителя и прочих элементов. Этими тремя компонентами являются: каркас, ороситель (теплообменная среда) и «прочие элементы» (система циркуляции воды, различные механизмы и т. д.). При разработке конструкторской документации такое деление помогает корректно назначить материалы для каждой зоны.

В список конструкционных материалов, используемых при строительстве градирен входят гальванизированная сталь, нержавеющая сталь и стеклопластик (вернее, армированный стекловолокном полиэфир – композиционный материал FRP, который в данной статье и обозначается термином «стеклопластик»). Для несущих узлов важна разработка кмд, поскольку материалы, сечения и крепления должны соответствовать фактическим нагрузкам. В материалах разработки КМД дополнительно учитывают защиту соединений от коррозии.

Противоточные градирни: пултрузионный стеклопластик в конструкции стандартной сборной противоточной градирни

Каждая градирня – это своего рода гибрид, в теле которого перечисленные материалы сочетаются в различных пропорциях. Например, широко распространены градирни из гальванизированной стали с водосборными бассейнами из нержавеющей стали. Иногда на градирни из нержавеющей или гальванизированной стали монтируется внешняя обшивка из стеклопластика. Крепления конструкции всех градирен изготавливаются из стали различных марок: гальванизированной, нержавеющей, либо окрашенной углеродистой. Для противоточных градирен подбор креплений особенно важен из-за постоянного контакта конструкций с влажной средой. При разработке КМД необходимо учитывать совместимость металлов и защитных покрытий.

При подборе материалов проектировщики, как правило, учитывают испытываемые конструкциями механические нагрузки, их подверженность действию коррозионно-активных веществ, а также стоимость и технологичность производства, которая в итоге выливается в себестоимость продукции. Механические нагрузки индивидуальны для каждого компонента каждой градирни, поэтому здесь мы не станем затрагивать данную тему. В комплексных промышленных задачах проектирование объектов строительства с градирнями требует увязки материалов, металлоконструкций и условий обслуживания; при проектировании объектов строительства также учитывают доступ к узлам, подверженным коррозии.

Стальные конструкции и корпус поперечноточной градирни

Степень подверженности элементов конструкций действию агрессивных веществ может существенно меняться в зависимости, например, от расположения той или иной детали в градирне. Секции с высокой скоростью водяного потока – оросители и распределительные бассейны горячей воды – практически непрерывно находятся в условиях горячей «водяной бани», которые обычно препятствуют накоплению коррозионно-активных веществ. С другой стороны, в водосборные бассейны с холодной водой скорость водяного потока крайне низка, и ничто не препятствует агрессивным веществам разъедать корпуса бассейнов. В воздухораспределительных камерах (куда воздух попадает из оросителей, прежде чем окончательно покинуть градирню) периоды высокой и низкой насыщенности воздуха водяным паром, как правило, чередуются. Однако скапливающаяся здесь влага конденсируется, в основном, из отходящего водяного пара, который не содержит растворённых примесей.

Сравнивать стоимость градирен, изготовленных из разных материалов, не всегда просто, поскольку их структурные характеристики существенно различаются. Использование нержавеющей стали в конструкциях вентиляторных градирен даёт экономическую выгоду, поскольку позволяет осуществлять их сборку без риска коррозии узлов соединений, и длительного эксплуатационного ресурса. Оцинкованная градирня может примяться как альтернативное решение при условии анализа рисков коррозии в течение всего срока службы оборудования, подбора и применения достаточной толщины цинкового слоя. FRP в конструкциях градирен обходится несколько дороже, чем гальванизированная сталь, при этом применение при изготовлении каркаса градирни и несущих элементов ограничено, учитывая свойства материала.

Выбор материала креплений, как правило, производится с учётом материалов конструкций. Нержавеющая сталь применяется наиболее широко, обеспечивает повышенную защиту от коррозии.