Коррозия в паяных теплообменниках для систем водоснабжения

Основными параметрами, влияющими на процесс коррозии металлов в водопроводных сетях, являются водородный показатель воды pH, ее электрическая проводимость, общая жесткость, щелочность, концентрация хлорид- и сульфат-ионов, растворенного кислорода и прочих способствующих окислению веществ. Восстановление кислорода обычно служит катодной реакцией для анодного растворения металла. Наличие хлоридов и сульфатов существенно повышает вероятность возникновения коррозии. Окисляющие вещества (например, хлор) увеличивают поляризацию, а, значит, способствуют анодному растворению.

Опасность возникновения коррозии металлов в воде очень хорошо описана в европейских стандартах (EN). Исчерпывающие сведения по особенностям коррозии меди имеются также в целом ряде источников.

Паяные теплообменники

Паяный теплообменник (ПТ) состоит из двух различных металлов: нержавеющей стали, из которой выполнены пластины теплообменника, и твердого медного припоя. Коррозионная стойкость такой конструкции зависит от:

• Коррозионных свойств медного припоя
• Коррозионных свойств пластин из нержавеющей стали
• Свойств пары медь-нержавеющая сталь

Теплообменники из нержавеющей стали, соединенные методом сплавления

Соединенный методом сплавления пластинчатый теплообменник AlfaNova полностью выполнен из нержавеющей стали. Этот вариант конструкции позволяет использовать в системах водоснабжения хорошие антикоррозионные характеристики нержавеющей стали и избавиться от проблем, связанных с применением припоя из иного материала. К преимуществам по антикоррозионным показателям теплообменников AlfaNovaTM перед паяными теплообменниками можно отнести следующее:

• Теплообменники AlfaNova могут применяться в системах с повышенной кислотностью воды, где медь не обеспечивает необходимой коррозионной стойкости
• Повышенная жесткость воды не приводит к возникновению коррозии теплообменника
• Отсутствует выделение ионов металлов, загрязняющих или окрашивающих воду
• Отсутствует биметаллическая коррозия ниже по потоку
• Отсутствует гальванические эффекты, обусловленные применением разных металлов

Коррозия нержавеющей стали

Пластины их нержавеющей стали обладают очень высокой коррозионной стойкостью к воздействию кислых и щелочных вод, не зависящей от щелочного числа, жесткости воды и концентрации сульфатов. Слой из оксидов хрома и молибдена образует защитную пленку, инертную к обычной воде с характерными значениями водородного показателя pH. Меры предосторожности необходимо предусмотреть при работе с водой с высокой концентрацией хлорид-ионов. Хлорид-ионы вызывают трещины в защитной пленке и приводят к образованию точечных очагов коррозии. Наиболее опасна контактная коррозия, поскольку она образуется при минимальной концентрации хлорид-ионов. В паяном теплообменнике этот вид коррозии может возникнуть при образовании отложений на поверхности пластины. Факторами, влияющими на возможность развития контактной коррозии, являются, в первую очередь, температура, водородный показатель pH, присутствие кислорода и других окислителей, геометрические параметры образовавшихся трещин, наличие свободного хлора и т.п. При оценке степени риска необходимо учитывать максимальную допустимую температуру стенки.

Ниже приведены ориентировочные значения показателей, обеспечивающие надежную эксплуатацию элементов из нержавеющей стали без возникновения коррозии. Все данные справедливы при величине водородного показателя pH=7. Уменьшение рН повышает вероятность коррозии.

Концентрация хлорид-ионов, Cl-

• менее 1000 ppm при 25 ºС
• менее 300 ppm при 50 ºС
• менее 100 ppm при 80 ºС

Концентрация свободного активного хлора, Cl2 менее 0,5 ppm

Коррозия меди

Медь, в отличие от нержавеющей стали, сама не образует прочной защитной пленки. Ее формирование зависит от элементов, входящих в состав воды, особенно – от растворенного неорганического углерода (СО₂ и т.п.), и при определенных условиях может образоваться сложное химическое соединение – гидроксокарбонат двухвалентной меди (Cu₂(OH)₂CO₃ – малахит), выполняющий функцию защитной пленки.

Факторами, определяющими растворимость меди в водопроводных системах и способствующими формированию защитного слоя, являются присутствие окисляющих веществ и солей, жесткость и значение водородного показателя воды pH. Поскольку образование защитного слоя происходит только в процессе контакта с водой, сначала поверхность меди будет незащищена, и ионы будут высвобождаться с медных элементов нового оборудования.

Если защитный слой не будет сформирован, то концентрация раствора меди может стать достаточно большой. Перешедшие в воду ионы меди придают ей голубоватую окраску, что может привести к изменению цвета санитарно-технического оборудования и вызвать проблемы в работе прачечных.

На сегодняшний день не существует окончательно сформированного общего мнения по проблеме коррозии медных элементов в водопроводных системах. Взаимодействие различных воздействующих факторов настолько сложно, что нет возможности полностью избавиться от нее. Существующие литературные данные и результаты исследований аварийных случаев позволяют сформулировать ряд условий, способствующих повышению вероятности развития коррозии медных элементов:

• рН менее 7,5
• концентрация (SO₄^2-) более 1 ммоль/л
• отношение концентраций (HCO₃^-) / (SO₄^2-) менее 1,5
• концентрация (HCO₃^-) менее1 ммоль/л или более 5 ммоль/л

Вода, использующаяся в системах отопления, может иметь параметры, выходящие за диапазон допустимых значений для меди, что делает невозможным применение паяных теплообменников. На рис. 1-2 представлены фотографии, сделанные при исследовании поврежденных образцов паяных теплообменников. Эксплуатационные параметры –  щелочность (концентрация  (HCO₃^-)) 5,6 ммоль/л, водородный показатель рН 6,8.  Исследования показали, что причиной отказа стала внутренняя течь, обусловленная коррозией меди в водяном канале.

Рис. 1 Межканальная течь выявлена с помощью красного красителя

Рис. 2 Пример коррозии меди

Ионы меди переходят в воду в процессе коррозии или при взаимодействии воды с новыми медными элементами. Эти ионы повышают вероятность коррозии элементов из черных металлов, стоящих ниже теплообменника по потоку. При осаждении меди на поверхность черного металла образуются участки металлической меди с очень высокой катодной активностью, что может приводить к язвенной коррозии трубопроводов и т.п.

Эрозия – это явление, намного сильнее проявляющееся у меди, чем у нержавеющей стали. Для ее предупреждения необходимо ограничить до 0,5 м/с скорость потока через контактирующие с водой медные элементы. Для эксплуатируемых в системах водоснабжения элементов из нержавеющей стали подобных ограничений не существует.

Использование в паяных теплообменниках пары контактирующих металлов медь-нержавеющая сталь ведет к ускоренной коррозии (гальванической коррозии). Однако эта скорость ниже, чем можно было бы ожидать, принимая во внимание разность потенциалов свободной коррозии, поскольку сопротивление катодной поляризации нержавеющей стали обычно достаточно высоко.

Выводы

Использование в системах водоснабжения агрегатов AlfaNovaTM позволяет избавиться от связанных с коррозией проблем, характерных для паяных твердым медным припоем теплообменников.