Увлажнение теплоизоляционных материалов - ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ И ПОЧВА КАК КОРРОЗИОННАЯ СРЕДА - ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ - Защита подземных теплопроводов от коррозии
Пятница, 11.06.2010, 08:05
Защита подземных теплопроводов от коррозии
Главная | Регистрация | Вход Приветствую Вас Гость | RSS
Категории раздела
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ И ПОЧВА КАК КОРРОЗИОННАЯ СРЕДА [7]
Поиск
В избранное

Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 2
Главная » Файлы » ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ И ПОЧВА КАК КОРРОЗИОННАЯ СРЕДА

Увлажнение теплоизоляционных материалов
[ ] 09.07.2009, 18:39
Существуют различные формы связи влаги с капиллярно-пористыми телами: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Решающее влияние на возможность протекания и кинетику электрохимической коррозии наружной поверхности трубопроводов тепловых сетей оказывает физико-химическая и особенно физико-механически связанная влага. Физико-химическая связь возникает в различных, не строго определенных соотношениях и осуществляется в виде адсорбционной и осмотической связи. Физико-механическая связь — это форма удержания влаги в неопределенных соотношениях. К этому виду связи относится капиллярная связь и связь смачивания (прилипание воды при непосредственном соприкосновении с поверхностью капиллярно-пористого тела).
При рассмотрении вопроса о коэффициенте диффузии растворенного кислорода предполагалось, что теплоизоляция полностью насыщена влагой. В этих условиях транспорт кислорода к поверхности металла наиболее затруднен. Известно, что с уменьшением толщины слоя электролита скорость подачи кислорода увеличивается, особенно через тонкие пленки. Из этого следует, что от содержания и рас-пределения .влаги в теплоизоляционном покрытии существенно зависит интенсивность протекания коррозионного процесса. В этой связи нас будет интересовать как гигро-термическая (сорбционная), так и гидротермическая область влажностного состояния капиллярно-пористого тела, в пределах которой при заданной температуре и внешнем барометрическом давлении влагосодержание превышает максимальное сорбционное.
Основную роль в поведении жидкости в капиллярно-пористом теле играют сорбционные силы. Существует ряд сорбционных теорий, применяемых с определенными ограничениями и лишь к материалам, о свойствах и структуре
которых имеется подробная информация/К большинству теплоизоляционных материалов, в частности пенобетону, битумоперлиту, применить эти теории не удается. В этой связи представляет интерес модель сорбции Л. Б. Цимер-маниса [19], в которой увлажнение капиллярно-пористых тел рассматривается как частный случай общих физических закономерностей, связывающих состояние материальных систем с их энергетическими уровнями. Вывод соотношения основан на следующих соображениях. Если допустить, что молекулы сорбата в капиллярно-пористом теле равномерно распределены на поверхности S его твердых частиц (частиц сорбента), то средняя толщина слоя, занимаемая в этом теле всеми молекулами сорбата.
Другими словами, если представить себе, что мы преобразовали данное капиллярно-пористое тело в пластину с поверхностью 5, сохранив неизменными все остальные свойства этого тела, то молекулы сорбата займут пространство, заключенное между поверхностью S и параллельной ей плоскостью, находящейся на расстоянии б. При этом над слоем адсорбированных молекул воды толщиной бс будет находиться слой молекул пара толщиной бп.. При полном насыщении влагой капиллярно-пористого тела бп обращается в нуль.
В модели рассматривается поле сорбционных сил, простирающееся от 0 до б по нормали х к поверхности сорбента и содержащее среднее количество молекул сорбата, удерживаемых молекулярными силами единицей площади поверхности частиц капиллярно-пористого тела.
Процесс перехода от одного уровня влагосодержания к другому
в данном капиллярно-пористом теле вполне аналогичен переходу от одной плотности частиц другой (с соответствующим изменением их потенциальных энергий] в одномерном силовом поле невзаимодей-ствующих частиц, К последнему, как известно, применимо классическое распределение Больцмана без всяких ограничений. Таким образом, идеальную модель поля сорбционных сил, соответствующую каждому определенному влагосодержанию данного капиллярно-пористого тела, можно рассматривать как элементарную ячейку многомерного фазово» го пространства равномерно распределенных невзаимодействующих частиц в одномерном силовом поле. Зная энергию распределения и используя уравнение Больцмана, можно вычислить соответствующее количество молекул воды в капиллярно-пористом теле.
В идеальной модели поля сорбционных сил на границе поля при *=6 происходит скачкообразное изменение плотности укладки молекул сорбата (воды). Этому изменению плотности соответствует скачок энергии распределения. Обозначив энергию распределения моля воды в равновесном водяном паре через £ф, получим для пара воды уравнение молярного распределения.
Для отсчета изменения энергии распределения в поле сорбционных сил целесообразно принять нормировку энергии, в которой АЕ=0 при Uo=UM.r (максимальное сорбционное влагосодержание), а для отсчета изменения энергии распределения равновесного пара — нормировку, в которой Д£ „=0 при ф=1 и внешнем барометрическом давлении. При такой нормировке АЕ и Д£ф одновременно обращаются в нуль, что позволяет связать эти две величины линейным соотношением.
Изотерма справедлива во всей области гигро-термических влажностных состояний капиллярно-пористых и капиллярно-пористо-коллойдных материалов. При переходе из гигротермического состояния в гидротермическое, т. е. при U>UMS, не происходит фазовых изменений влаги, содержащейся в капиллярно-пористом теле. Такой переход в зависимости от температуры происходит при различном влагосодержании и поэтому является в известной степени условным. Фактически гидротермическое увлажнение теплоизоляционных материалов осуществляется путем либо соприкосновения их с жидкостью (при внешнем барометрическом давлении на ее поверхность), либо водонасыщения под вакуумом, либо сорбции насыщенного водяного пара при внешнем давлении, превышающем барометрическое, либо, наконец, при контактном соприкосновении двух или более различных влажных материалов в термодинамически закрытой системе. Следует отметить,;что в процессе установления гигротермического равновесия при Нормальном барометрическом Давлений
влагой заполняются только микрокапилляры, а макрокапилляры — лишь при непосредственном соприкосновении с жидкостью. Любому случаю гидротермического увлажнения теплоизоляционных материалов при соприкосновении с жидкостью соответствует эквивалентное действию капиллярных сил относительное давление равновесного пара, при котором эти материалы достигают такого же влагосодержания в результате действия сорбционных сил. Это давление можно определить по уравнению с учетом.
Следовательно, влажностное состояние теплоизоляционных материалов в гидротермической области описывается теми же закономерностями, что и в гигротермиче-ской. Полученные выводы будут нами использованы при проведении анализа влияния процессов переноса на скорость коррозии стали в контакте с влажной теплоизоляцией.
В качестве теплоизоляции применяются как гидрофильные, так и гидрофобные материалы (последние главным образом на теплопроводах бесканальной прокладки), Сорбционная объемная влажность большинства капиллярно-пористых теплоизоляционных материалов в сравнении с их максимальным водопоглощением относительно неве-
лика и составляет 1—7%. Однако и в этом диапазоне влажности при определенных условиях может интенсивно развиваться коррозионный процесс. Из [18] следует, что даже при невысокой влажности почвы на поверхности металла образуется более или менее сплошная жидкостная пленка, так как влажность воздуха в порах почвы близка к 100°/о- Отметим, что скорость атмосферной коррозии металлов достигает максимума при толщине пленки электролита, равной нескольким микронам [3] .
Водопоглощение большинства гидрофильных теплоизоляционных материалов при их погружении в воду или соприкосновении с влагой достигает больших значений. В табл. 3.1 приведены значения водопоглощения ряда теплоизоляционных материалов, применяемых для теплопроводов бесканальной прокладки [13].Следует при этом отметить, что гидрофильные материалы с ячеистой структурой-и значительной открытой пористостью (поропласт, пенобетон) обладают и относительно высокой скоростью влагоотдачи, Волокнистые материалы, обладая высокой степенью пористости, характеризуются большим массовым водопоглощением, которое у минеральной ваты может достигать 600%'. Однако полное насыщение минеральной ваты водой происходит лишь при заливе ее водой или погружения в воду. При изъятии из воды вата удерживает -около 40— 50% влаги. При соприкосновении ваты с водой увлажняются лишь ближайшие ее слои, что объясняется отсутствием капиллярных сил поднятия влаги. Гигроскопичность минеральной ваты составляет около 3,5%'.
Одной из основных особенностей теплопроводов бесканальной прокладки является непосредственный контакт теплоизоляционной конструкции с грунтом. В этом случае теплоизоляционный материал может увлажняться за счет либо непосредственного контакта с грунтом через повреждения в гидроизоляции, либо проникновения воды через дефекты гидроизоляционного покрытия, например через Щели в покрытии при применении рулонных материалов. В обоих случаях увлажнению подвергаются участки теплоизоляции, во много раз превышающие площадь повреждения гидроизоляции. В этой связи представляют интерес
зависимости влагосодержания ряда теплоизоляционных материалов, находящихся в контакте с влажным грунтом в изотермических условиях [17] . Из приведенных графиков следует, что пенобетон, битумоперлит и фе-
нольныи поропласт в контакте с песком влажностью около 10% насыщаются влагой до 50% максимального водопо-глощения, а при влажности около 20%—до 100%. Уменьшение разности потенциалов массопереноса между грунтом л материалом обусловливает снижение влажности последнего. Так, при контакте с глиной влажностью 0,2 кг/кг пенобетон и битумоперлит увлажняются не более чем до 10% максимального водопоглощения. Из этого, однако, не должно следовать, что контакт теплопровода с глиной обусловливает защиту теплоизоляции от увлажнения, так как влагосо-держание глины может достигать достаточно высоких значений.
Для протекания процесса электрохимической коррозии наружной поверхности трубопроводов тепловых сетей основное значение имеет не общее влагосодержание, а распределение влаги по слоям теплоизоляции и главным образом влагосодержание в слоях, непосредственно примыкающих к металлу. Под воздействием ряда факторов влага в теплоизоляционном покрытии теплопроводов перемещается. Интенсивность перемещения влаги в слое теплоизоляции определяется в основном такими факторами: геометрией порового пространства, занятого влагой, реологическими свойствами жидкости и градиентами величин давления, температуры, потенциалов гравитационного и электрического поля и т. д. Так, при наличии термоградиента в капиллярно-пористом теле, содержащем влагу, происходит движение жидкости по направлению по-
тока теплоты. Взаимодействие всех факторов обусловливает создание в теплоизоляционном слое поля влажности.
Вопросы увлажнения и сушки капиллярно-пористых материалов были изучены А. В. Лыковым [8]. Применительно к теплоизоляционным материалам во взаимосвязи с условиями эксплуатации теплопроводов они были рассмотрены В. П. Витальевым [2], В. Г. Петровым-Денисовым [И] и другими авторами. В [11] для вывода зависимостей влагообмена в теплоизоляционном слое теплопроводов бесканальной прокладки раздельно рассматриваются процессы переноса парообразной и жидкой фаз влаги в изоляции и грунте. Процесс массообмена между сухой тепловой изоляцией толщиной 6, граничащей с полубесконечным массивом влажного грунта, рассматривается в двух температурных режимах: при неработающем теплопроводе, когда температуры изоляции и грунта равны, и затем при включении теплопровода, когда температура стенки трубы повышается.
В первом режиме за счет разности потенциалов массопереноса будет осуществляться перенос влаги из грунта в изоляцию последовательно путем диффузии пара, пленочного и капиллярного движения жидкой фазы влаги.
Во втором температурном режиме возникший градиент температур обусловливает появление диффузионного потока пара по направлению потока теплоты. При этом в области высоких температур будет происходить- испарение влаги, а в области низких температур поступающий туда пар конденсируется, вследствие чего осуществляется диффузионная перегонка влаги в периферийные слои теплоизоляции. Возникающий вследствие этого градиент потенциала массопереноса обусловливает поток жидкой влаги навстречу диффузионному потоку. Предполагается, что движение жидкой влаги прекращается при некотором критическом значении потенциала массопереноса, определяемого по экспериментальной зависимости коэффициента диффузии влаги от влагосодержания. Равновесное состояние в системе установится, когда потоки пара и жидкой влаги будут взаимно уравновешены, при этом создастся определенное распределение влаги в сечении теплоизоляции с подсушенным слоем у поверхности трубы.
Равновесное' состояние нарушается нри изменении температуры теплоносителя. При снижении температуры граница зоны с наименьшей влажностью теплоизоляции (у поверхности трубы) будет сужаться и, наоборот, расширяться с повышением температуры теплоносителя.
Необходимо попутно отметить, что следствием периодических перемещений границы с наименьшей влажностью теплоизоляции является постепенное увеличение концентрации солей, растворенных в грунтовых водах, в поровой влаге у поверхности трубопровода.
Рассматривая механизм переноса влаги по направлению потока теплоты, следует отметить, что перемещение влаги к периферийным слоям теплоизоляции ускоряется при наличии в увлажненном капиллярно-пористом материале защемленного воздуха. Причиной этого является значительно большее по значению расширение воздуха в сравнении с расширением жидкости при повышении температуры, вследствие чего жидкость проталкивается в направлении потока теплоты.
Очевидно, что рассмотренная выше модель системы теплоизоляция — грунт несколько упрощена. В частности, в реальных изоляционных конструкциях теплопроводов бесканальной прокладки, как прави-ло, на поверхности теплоизоляции имеется гидроизоляционное покрытие, через неплотности или повреждения в котором из грунта в теплоизоляцию проникает влага. В этом случае при большом начальном влагосодержании теплоизоляции из-за отсутствия на ее поверхности зеркала испарения могут' не возникать зоны подсушенной теплоизоляции в слое, контактирующем с трубой, будет лишь меняться влагосо-держание в указанном слое..
В связи с этим представляю!1 большой интерес экспериментальные данные, полученные в [2], при исследовании влияния влагосодержания грунта на кинетику сушки теплоизоляции теплопроводов бесканальной прокладки. Установлено, что для обеспечения сушки теплоизоляции необходимо, чтобы окружающий ее песчаный грунт имел влагосодер-жание, при котором межзерновое пространство в нем было свободно от влаги и заполнено воздухом. При этом наиболее благоприятные условия для сушки теплоизоляции будут обеспечиваться в том случае, если поры будут сообщаться с атмосферой. Было показано, что в сухом песке при температуре теплоносителя" 90 °С период постоянной скорости высыхания теплоизоляции составляет 4 сут, в песке влажностью 3,7% 20 сут, при влажности песка 8% и выше сушки теплоизоляции почти практически не происходит. Например, при влажности песка 9% высыхания теплоизоляции не наблюдалось и за 55 сут.
В случае контакта теплоизоляционной конструкции теплопровода бесканальной прокладки с глиной высыхания теплоизоляции вообще не наблюдается, как и при наличии гидроизоляционного покрытия. В обоих случаях влага перемещается к периферийным слоям и, накапливаясь в них, распределяется вдоль оси теплопровода. При выключении теплопровода или значительном снижении температуры теплоносителя влага перемещается к внутренним слоям теплоизоляции по механизму, рассмотренному выше.
Для процесса сушки теплоизоляции теплопроводов канальной прокладки имеются более благоприятные условия, чем при бесканальной прокладке. Высыхание теплоизоляции (минеральный ваты) может происходить при относительной влажности воздуха в канале, равной 100% при наличии зеркала воды на дне канала и капели сконденсировавшихся на перекрытии канала паров воды [2]. В последнем случае, однако, период сушки изоляции сильно затягивается. При увеличении интенсивности увлажнения, например, струями воды через неплотности в перекрытии канала высыхания теплоизоляции может не наступить.
Как отмечалось выше, в гидрофильных капиллярно-пористых материалах возможен перенос влаги как в парообразной, так и в жидкой фазах. В гидрофобных же материалах за счет капиллярного противодавления должна обеспечиваться защита материала от увлажнения капельной влагой, но, однако, нет условий, препятствующих сорбционному увлажнению при температурах ниже 100°С. Причем влагосодержание материала может превзойти значение максимального гигроскопического в результате диффузионной перегонки влаги от более нагретых участков к менее нагретым и конденсации влаги в порах и капиллярах. Такое дополнительное увлажнение может получить слой теплоизоляции, находящийся между подающим и обратным трубопроводами [4]. Имеются данные о возможности «пробоя» влаги внутрь гидрофобной теплоизоляции в результате резкого снижения температуры теплоносителя, что объясняется появлением разрежения в порах при конденсации паров влаги.
В процессе длительной эксплуатации возможно ухудшение гидрофобных свойств материала, главным образом вследствие гидрофилизации стенок капилляров. Это происходит в результате осаждения на стенках капилляров солей (образование «солевых мостиков») после многократного испарения находившейся в теплоизоляции вла-ги[1].
Необходимо оценить роль продуктов коррозии на поверхности трубопроводов, изолированных гидрофобными материалами. Испытания, проведенные АКХ им. К. Д. Памфилова совместно с ВТИ им, Ф. Э. Дзержинского, показали, что на стальных образцах, находившихся в толще гидрофобизированного мела влагосодержанием около 1,0%. образуется сплошной слой продуктов коррозии. Для удержания влаги на поверхности трубопровода существенное значение имеет наличие продуктов коррозии, способствующих капиллярной конденсации влаги на металле. Продукты коррозии на низколегированных сталях имеют капиллярно-Пористое строение и обладают свойствами пористых сорбентов [14]. Поэтому, если при малой влажности воздуха в порах и капиллярах теплоизоляционного материала могут образовываться лишь адсорбционные пленки влаги, на продуктах коррозии, не обладающих гидрофобными свойствами, могут возникать более толстые слои влаги. Продукты коррозии способствуют более длительному пребыванию влаги на поверхности трубопровода, а также распространению влаги по его поверхности во всех направлениях.
Категория : ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ И ПОЧВА КАК КОРРОЗИОННАЯ СРЕДА | Добавил : Аdmin
Просмотров : 428 | Загрузок : 0 | Рейтинг : 0.0 / 0 |
Всего комментариев : 0
Имя *:
Email:
Код *:
Copyright Защита подземных теплопроводов от коррозии © 2010