Определение коррозионной активности стальных элементов очистных сооружений сточных вод

Determination of corrosion activity of the steel elements of the treatment facilities of sewage

Denis Butko

candidate of engineering sciences, associate professor, dean of the Faculty of civil engineering, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Elena Vilson

candidate of engineering sciences, associate professor, managing chair «Water supply and water removal», Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Nikolai Serpokrilov

doctor of technical science, professor, professor of the Department of water supply and water removal, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Elena Yakovleva

assistant, Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. Разрушения металлических конструкций сооружений очистки сточных вод вследствие коррозии влияют на параметры технологического процесса и безопасность обслуживания. На примере станции аэрации г. Ростова-на-Дону проведен анализ факторов, вызывающих коррозию металлических элементов, рассмотрены механизмы возникновения коррозионных процессов и влияние технологических воздействий, происходящих при очистке сточных вод. Проведены исследования образцов наиболее часто применяющих марок сталей по этапам очистки.

Abstract. Corrosion damages of metal structures of wastewater treatment facilities affect the work process parameters and operation safety. The analysis of the factors causing corrosion of metal elements and the assessment of corrosion resistance of the steel grades St08ps, St3sp and St5sp during the treatment stages were conducted based on the data obtained from the Rostov-on-Don aeration plant. The article search techniques to determine the corrosiveness of water towards the metal structures.

Ключевые слова: сточные воды; очистка; коррозия; строительство; сооружения; гражданское строительство.

Keywords: wastewater; treatment; corrosion; construction; buildings; civil engineering.

Коррозионные повреждения металлических конструкций на сегодняшний день представляют одну из значительных экономических проблем производственных предприятий по очистке сточных вод.

Для оценки состояния металлических конструкций в сооружениях очистки сточных вод станции аэрации г. Ростова-на-Дону первоначально был произведен визуальный контроль, который позволил определить следующее.

- Решетки. Все конструкции, выполненные из черного металла, защищены от коррозии цинковым покрытием и окрашены эмалью и лаком, несмотря на это очаги коррозионных разрушений обнаружены на металлических конструкциях: граблины, все крепления и закладные детали.

- Песколовки. В песколовках коррозионным разрушениям подверглись гидроэлеватор, скребковый механизм и тросы, распределительный канал шибера. В наибольшей степени подвержены коррозии болтовые соединения и закладные детали вследствие разного химического состава соприкасающихся элементов.

- Преаэратор. Основным очагом коррозии в преаэраторе является запорная арматура.

- Первичный отстойник. Все металлические конструкции защищены от коррозии, однако, сплошность покрытий металла со временем нарушилась, и наблюдаются прогрессирующие коррозионные процессы.

- Аэротенк. Среда в аэротенке является достаточно агрессивной для металла, о чем свидетельствуют данные работ [2, 6-8]. Из нержавеющей стали выполнены: лоток подачи осветленной сточной воды, шибера, опускные стояки, лоток возвратного активного ила, струенаправляющие перегородки - на них очаги коррозии не отмечены.

- Вторичные отстойники. Наблюдаются коррозионные процессы, которым подвержены каркасы кассет тонкослойных модулей, закладные детали. Крепления зубчатого перелива к сборному лотку, обработанные покрытием из цинка с хромированием толщиной 30 мкм, разрушаются вследствие коррозионных процессов.

- Биореакторы. В биореакторах размещены кассеты с загрузкой из «ершей», каркас кассет выполнен из нержавеющей стали, а основание «ершей» выполнено из стальной проволоки, которая корродирует и разрушается, в результате чего ершовая загрузка обрывается.

Для наших исследований были выбраны образцы, выполненные из стали Ст5сп (ГОСТ 380-2005) и Ст08пс (ГОСТ 1050-88). Химический состав в % стали Ст08пс: Fe~98; C – 0,05-0,11; Si – 0,05-0,17; Mn – 0,35-0,65; Ni до 0,25; S до 0,04; P до 0,035; Cr до 0,1; Cu до 0,25; As до 0,08. Характеристика стали Ст08пс (ГОСТ 1050-88) – сталь конструкционная углеродистая качественная для изготовления деталей, к которым предъявляются требования высокой пластичности: шайбы, патрубки, прокладки и другие неответственные детали, работающие в интервале температур от -40 до 450 °С, плотность составляет 7846 кг/м3. Химический состав в % стали Ст5сп: Fe~98; C – 0,28-0,37; Si – 0,15-0,3; Mn – 0,5-0,8; S до 0,05; P до 0,04. Характеристика стали Ст5сп – сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, использующаяся для изготовления деталей клепаных конструкций, болтов, гаек, ручек, втулок, ходовых валиков, стержней, трубных решеток, фланцев и других деталей, работающих при температуре 0-425^оС, плотность составляет 7850 кг/м³ [10].

Образцы помещали в песколовки, преаэратор, первичный отстойник, аэротенк, вторичный отстойник, биореактор и контактный резервуар. Подготовку образцов и исследования выполняли в соответствие с методикой, представленной [1]. Данные исследований представлены в табл. 1, в которой приняты следующие обозначения: S – площадь поверхности образца; ΔР – разница веса образца до и после испытаний; К – скорость коррозии образца.

Таблица 1.

Исследования по скорости коррозии в сооружениях очистки сточных вод с экспозицией 30 сут (в таблице представлены среднеарифметические данные из трех параллельных наблюдений для _ΔР, г и К, мг Fe/см² сут)

Коррозионная стойкость металлических материалов оценивалась по десятибалльной шкале по [3].

Скорость коррозии металлических материалов в различных средах определялась по уменьшению массы образца (после удаления продуктов коррозии) на единицу поверхности в единицу времени и выражалась в граммах на метр в квадрате в час. Глубинный показатель коррозии выражался в линейных единицах, отнесенных к единице времени:

                                                       П = 8,76 К /γ ,                                                                           (1)

где П – глубинный показатель коррозии, мм/год;

К – скорость коррозии, г/(м² ч);

γ – плотность металла, г/см³.

В табл. 2 приведены оценочные баллы (по данным [3]) и группы стойкости образцов исследуемых марок сталей в зависимости от условий среды, в которую они были помещены.

Таблица 2.

Оценочные баллы и группы стойкости образцов

Коррозия металлических трубопроводов очистных сооружений также влияет на надежность эксплуатации. Исследования по коррозии стальных трубопроводов проводили в опытно-промышленных условиях канализационных очистных сооружений г. Ростова-на-Дону на реальных сточных водах после первичного отстаивания [5, 9] с применением активного эксперимента.

Экспериментальная установка, полезным объемом 34.5 дм³, представляла собой модель напорного трубопровода, куда под давлением подавали сжатый воздух или технический кислород. Перемешивание осуществлялось через определенные промежутки времени, что позволяло через критерий Кэмпа характеризовать условия смешения.

Была реализована 1/2 дробной реплики полного факторного эксперимента типа 2^4-1 с двумя параллельными опытами и с варьируемыми факторами: Х₁ – период пребывания (окисления) сточных вод в трубопроводе-реакторе (15-          120 мин.); Х₂ – давление в модели трубопровода (0.02-4 МПа); Х₃ – период между перемешиваниями (0-350 секунд); Х₄ – введение активного ила (0-5 мг/л). Функция оптимизации, фиксирующая коррозию в процессе транспортирования – У – скорость коррозии металла, г/час·м².

В результате реализации и статистической обработки результатов активного эксперимента в кодированных переменных с исключением незначимых коэффициентов получено уравнение, адекватно описывающие процесс очистки сточных вод техническим кислородом в модели напорного трубопровода – реактора:

У = 3.61 – 1.45Х₁ + 1.28Х₂ – 1.14Х₄.                                                       (2)

По технологической эффективности влияния на процесс предварительной очистки сточных вод факторы убывающе располагаются в ряд: Х₁ (время окисления), Х₂ (давление насыщения или перекачки сточных вод), Х₄ (введение активного ила в напорный трубопровод с кислородом). А фактор Х₃ (перемешивание) не оказывает влияния на скорость коррозии стальных трубопроводов.

Полученное в активном эксперименте уравнение регрессии для проектирования более практично к применению в натуральных переменных:

У = 7.387 – 0.028 τ_ок + 6.737 Р – 22.8 D _аи;                                               (3)

где τ_ок – время окисления сточных вод в трубопроводе-реакторе, 15-120 мин.;

Р – давление в трубопроводе, 0.02-0.4 МПа;

D_аи – доза вводимого в трубопровод активного ила, 0-0.1 % от объема обрабатываемых сточных вод.

В указанных границах изменения факторов скорость коррозии стали Ст3сп составит 4.442-7.097 мг/ч·м². Величина скорости внутренней кислородной коррозии стали при пересчете из мг/ч·м² в мм/год составит – (0.049-0.080), что находится в допустимых пределах коррозии металлических трубопроводов. По классификации Дрозда Г.Я. [4] скорость внутренней сероводородной коррозии для труб до 0.08 мм/год относится к слабой, т.е. введение технического кислорода в трубопровод не вызовет дополнительного разрушения трубопроводов за счет химической коррозии.

Анализ результатов исследований позволяет установить, что коррозионная активность сточных вод в процессе их очистки достаточно высокая. Так как производимые исследования с образцами металлов (сплавов) являются достаточно трудоемкими, поэтому планируется дальнейшие исследования направить на поиск показательных параметров, характеризующих коррозионную активность среды, которые можно определять с помощью измерительных приборов и расчетов и с помощью которых прогнозировать и устанавливать превентивные мероприятия по поддержанию заданного уровня надежности очистных сооружений.