Эффективные стратегии контроля коррозии в охлаждающих башнях

Охлаждающие башни обеспечивают эффективный отвод тепла и широко используются для кондиционирования, холодильных установок и промышленного охлаждения. Контроль коррозии в системах циркуляционного воды — серьезная задача для многих отраслей во всем мире.

В контурах охлаждающей воды проблемы коррозии и накипи не новые, но продолжающиеся тренды экологического законодательства приводят к все большей степени испарения и, как следствие, к очень высоким остаточным концентрациям различных видов. Поэтому даже если используемая вода изначально чиста и некоррозионна, из-за этого концентрационного эффекта она становится коррозионной, а склонность к накипообразованию и биофоулингу возрастает.

В статье рассмотрим охлаждающие башни, типичные коррозионные проблемы и способы их предотвращения.

Типы контуров охлаждающих башен

В замкнутом контуре вся охлаждающая вода находится в замкнутом цикле. Нет контакта с атмосферой и поэтому нет риска загрязнения ею. Тепло удаляется по проводимости и конвекции через вторичный контур, а не прямым испарением воды первичного контура. Замкнутые контуры применяются только в малых установках, системах с высоким расходом или с холодильной установкой (ледяной бак).

Открытые рециркуляционные системы охлаждения (Рисунок 2) наиболее широко используются. Полузамкнутый контур питается питательной водой. Расход циркуляционной воды поддерживается постоянным насосами. Вода нагревается горячим процессным флюидом в теплообменниках. Горячая вода непосредственно контактирует с воздухом в охлаждающих башнях и охлаждается контактом и за счет потери скрытой теплоты испарения.

Проблемы от использования необработанной воды

Три основных типа проблем в контурах охлаждающей воды: накипь, коррозия и загрязнение. Они тесно взаимосвязаны, и корректирующие действия по лечению одной часто влияют на другие.

Накипь

Накипь считается имеющей место, когда металлическая или другая поверхность покрывается прилипшим минеральным отложением. Отличительная черта по сравнению с отложением от осаждения твердых частиц — тот факт, что накипь прилипает к поверхности. Накипь может усиливать захват взвешенных твердых частиц.

В водяном охлаждающем контуре накипь в основном вызвана образованием карбоната кальция. Накипь может содержать другие вещества — глины, остатки водорослей, сульфат кальция — но именно карбонат кальция выпадает первым, так как его растворимость ниже.

Коррозия

Водная коррозия металлов электрохимична по природе и включает две независимые реакции. Первая — окисление металла. Вторая — восстановление какого-то вида в коррозионной среде. Окислительная реакция металла анодна и высвобождает положительно заряженные ионы металла в раствор и электроны в металл:

(M)_metal → (Mⁿ⁺)_solution + ne^-

Затем электроны, высвобожденные в металле, восстанавливают окислитель в коррозионной среде в катодной реакции:

(Ox^+q)_solution + (ne^-)_metal → (Red^q-n)_solution

В зависимости от среды и материалов может возникать множество режимов коррозии. Для стальных сплавов частые: равномерная, точечная, щелевая, интергранулярная коррозия. Для медных сплавов: децинкификация и истощение Al или Ni.

Коррозионное загрязнение, индуцируемое микроорганизмами

Микроорганизмы естественно присутствуют во всех водах. Если они пролиферируют слишком быстро, создают два типа проблем:

• Биофоулинг — накопление колоний микроорганизмов на поверхностях оборудования, формирующее биопленки.
• Биокоррозия — химическая атака микроорганизмами. Для металлов коррозия обычно вызвана бактериями.

В обоих случаях последствия пролиферации могут быть серьезными: потеря эффективности теплообменников, закупорка труб, повышение обратного давления, утечки из-за пробойной коррозии.

Лечение водяных контуров

Цель предварительной обработки питательной воды — изменить свойства сырой воды под требования контура. Независимо от обработки питательной воды, все равно необходимо добавлять реагенты в воду охлаждающего контура. Это требуется для специфической кондиции объекта, обеспечивающей успех принятой философии лечения. Основные химические продукты: ингибиторы накипи и дисперганты, ингибиторы коррозии, биоциды.

Ингибирование накипи и/или дисперганты — стабилизация

В этот процесс добавки вводятся в контур для предотвращения выпадения карбоната кальция, особенно в горячих точках. Эти продукты либо повышают предел растворимости, либо удерживают воду в состоянии перенасыщения. Это позволяет контуру работать при более высоком коэффициенте концентрации.

Основные механизмы:

• Сеquestрация/комплексообразование для формирования стабильных молекул с ионами кальция и магния.
• Отравление кристаллических зародышей.
• Ингибирование роста кристаллов.
• Дисперсионный эффект для удержания нуклеационных частиц в состоянии дисперсии близко к пределу растворимости.

Стабилизирующие обработки популярны, так как позволяют работать при «свободном pH».

pH тогда контролируется CO₂ и равновесием растворимости между водой и атмосферой, становясь простой функцией М-щелочности (MA).

Контроль pH

Предел растворимости CaCO₃ чувствителен к pH, который напрямую влияет на концентрацию карбонатных ионов. Для предотвращения выпадения CaCO₃ в контур вводят кислоту для снижения pH. Обычно выбирают серную кислоту.

На самом деле, добавление кислоты имеет два эффекта: снижает уровень MA за счет нейтрализации ионов HCO₃⁻ с образованием CO₂. Также снижает pH, если CO₂ образуется быстрее, чем удаляется из контура дегазификацией.

Ингибирующие обработки коррозии

Когда ингибитор коррозии добавляется в контур, продукт формирует тонкие адсорбированные пленки, не препятствующие теплопередаче. Они содержат два активных агента для препятствия и анодной, и катодной реакциям коррозии.

Анодные ингибиторы

Анодные ингибиторы увеличивают анодную поляризацию и сдвигают коррозионный потенциал в катодном направлении. Эти вещества соединяются с продуктами коррозии металла, образуя полностью нерастворимую соль. Если ингибирование чисто анодное, нужны большие количества ингибитора. Это практично только в очень малых контурах, так как любой дефицит ингибитора может привести к ускоренной локализованной атаке.

Катодные ингибиторы

Катодные ингибиторы снижают коррозию, замедляя скорость восстановления в электрохимической ячейке коррозии. Эти вещества соединяются с продуктами катодной реакции, снова образуя нерастворимые соединения. Катодные ингибиторы несут меньшие риски, чем анодные, так как локализованная коррозия не индуцируется падением их концентрации.

Органические ингибиторы

Эффект органических ингибиторов связан с формированием непрерывной адсорбированной пленки, препятствующей электрохимическим реакциям на открытых поверхностях. Пленка образуется физической или химической адсорбицией полярных органических молекул на металле, поэтому выбор молекул зависит от металла.

Внедрение обработки

После определения кондиционирующей обработки она реализуется в соответствии с особенностями объекта. Для замкнутых контуров кондиционирующие продукты вводятся при пуске. Дальнейшие добавки не нужны, кроме случайного слива.

В открытых рециркуляционных системах реагенты, кроме неокисляющих биоцидов, периодически вводятся насосами в питательный резервуар. В редких случаях используют гравитационную инъекцию. Дополнительные точечные обработки иногда нужны в критических теплообменниках.

В последние годы применяют системы мониторинга коррозии в реальном времени для оценки общей скорости коррозии и потенциала локализованной (точечной) коррозии. Эти системы используют комбинацию технологий: электрохимический шум (ECN), низкочастотное импедансное измерение (LFI) и анализ гармонических искажений (HDA).