Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Продление периода эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения из стальных и чугунных труб

И. И. Воинцев, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН

М. Г. Новиков, советник генерального директора АО «Ленводоканалпроект»

О. А. Продоус, генеральный директор ООО «ИНКО-инжиниринг»

Посвящается памяти П. А. Гембицкого…

В России около 80% всех магистральных трубопроводов и уличных сетей выполнено из стальных и чугунных труб, которые вследствие внутренней коррозии к настоящему времени в значительной степени находятся если не в аварийном, то в предаварийном состоянии. Данная проблема должна решаться путем планомерной замены старых трубопроводов на современные, из полимерных материалов, обладающие существенно более длительным сроком службы. Исходя из того, что ежегодная замена труб на новые не превышает 1%, важнейшей задачей, стоящей перед отраслью, является принятие неотложных мер, позволяющих в кратчайшие сроки затормозить процесс коррозии металлических трубопроводов. В последние годы группой российских ученых и специалистов в области водоочистки на основе ПГМГ-ГХ был разработан широкий спектр комплексных реагентов нового поколения (бактерициды, коагулянты, флокулянты), обладающих не только высоким обеззараживающим эффектом, позволяющим в том числе устранять биообрастание в трубопроводах, но и являющихся ингибиторами коррозии. Практическое применение новых реагентов на ВОС г. Череповца обеспечило решение проблем, связанных с коррозией внутренней поверхности металлических трубопроводов без каких-либо дополнительных затрат.

Ключевые слова: металлические трубопроводы, внутренняя коррозия, комплексные реагенты нового поколения, устранение коррозий и биообрастаний, ингибирование внутренней поверхности труб

В системах централизованного водоснабжения качество питьевой воды, подаваемой населению, зависит не только от степени очистки на водопроводных станциях, но и в значительной степени от состояния труб, из-за электрокоррозии и биообрастания внутренней поверхности которых происходит ее так называемое вторичное загрязнение в процессе транспортирования потребителю.

Известно, что в России около 80% всех магистральных трубопроводов и разводящих сетей выполнено из стальных и чугунных труб, а оставшаяся их часть — изготовлена из полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и др.). При этом металлические трубы за редким исключением не имеют должной защиты от внутренней коррозии (электрохимической и микробиологической). В результате действия коррозии возникают аварии на сетях и связанные с ними утечки воды, достигающие в ряде случаев 35% и более. Кроме того, за счет коррозии снижается пропускная способность труб и, соответственно, возрастают затраты на транспортирование воды. В настоящее время от 60 до 80% металлических труб в системе централизованного водоснабжения находятся если не в аварийном, то в предаварийном состоянии [1].

Рис. 1. Фрагменты обрастаний внутренних поверхностей
стальных (а) и чугунных труб (б)

На рис. 1 приведены фрагменты внутренней поверхности труб из стали и серого чугуна, находившиеся в эксплуатации более 10 лет. Скорость обрастаний внутренней поверхности труб из этих материалов зависит, прежде всего, от характеристик транспортируемой воды и от режимов эксплуатации трубопроводов. Чем меньше скорость потока, тем интенсивнее идет процесс обрастаний внутренних стенок труб.

Одним из возможных путей решения данной проблемы является планомерная замена старых металлических трубопроводов на современные, из полимерных материалов, с существенно более длительным сроком службы.

Так как по стране ежегодная замена существующих старых трубопроводов на новые не превышает 1%, без кардинального решения вопросов, связанных с предотвращением процессов их микробиологической коррозии (биообрастания) и существенного снижения скорости внутренней электрохимической коррозии, прогнозируется реальная опасность кризисной ситуации, связанной с эксплуатацией системы транспортировки воды потребителям по трубам, являющихся источником вторичного загрязнения питьевой воды [2, 3].

Из этого следует, что одной из первоочередных задач, стоящих перед отраслью водоснабжения, является принятие неотложных мер, позволяющих уже в ближайшее время затормозить процесс коррозии старых трубопроводов (время эксплуатации которых уже намного превысило установленные для них амортизационные сроки) с тем, чтобы обеспечить сохранение их работоспособности в течение достаточно длительного времени.

Рассматривая процессы внутренней коррозии стальных и чугунных трубопроводов, необходимо отметить следующее:

— электрохимическая коррозия в первую очередь обусловлена агрессивностью, которой обладают транспортируемые воды с низкими значениями pH, содержащие значительное количество углекислоты, кислорода, сульфатов, хлоридов и пр.;

— микробиологическая коррозия в свою очередь обусловлена наличием в транспортируемой воде микроорганизмов, которые приживаются, размножаются и образуют на внутренней поверхности трубопроводов биопленку, наличие которой инициирует биообрастание, в процессе биоценноза которого в нем приживаются разнообразные водоросли, бактерии, вирусы, грибы, простейшие и прочая микробиота.

Механизм образования отложений на внутренней поверхности металлических труб давно изучен. Однако вопрос о том, как продлить период эксплуатации металлических трубопроводов, подвергнутых внутреннему [1, 2, 3, 5] обрастанию продуктами коррозии и биобрастанию, поднимался только авторами данной статьи. Рассмотрим процесс образования биоотложений более подробно. На рис. 2 приведена модель строения биопленки обрастания. Биопленка обрастания внутренней поверхности металлических труб — это сложная структура, состоящая из нескольких слоев микроорганизмов, покрытых внеклеточными полимерными веществами EPS-exstracellular polymeric substances: полисахаридами, белками, гликопротеинами и т. п.

Рис 2. Трехмерная модель строения биопленки обрастания

На рис. 2 схематически представлена трехмерная модель строения биопленки обрастания [4].

В процессе накопления в трубах биомассы существенно увеличиваются энергозатраты на подачу воды потребителям, а поступающая в водопроводные краны вода становится эпидемически опасной, приобретает ржавый цвет, неприятный запах и привкус [1, 3].

В отечественной и зарубежной практике водоочистки традиционно для обеззараживания воды и борьбы с биообрастанием трубопроводов применяются окислители — преимущественно хлор или гипохлорит натрия.

Обеспечивая достаточно высокую степень обеззараживания воды, указанные выше реагенты обладают существенными недостатками, так как при их применении в воде могут образовываться канцерогенные и другие токсические продукты, что повышает риск понижения иммунитета, нарушение обмена веществ, а также может способствовать инициированию развития злокачественных новообразований.

В свою очередь применяемые для борьбы с электрохимической коррозией хорошо известные ингибирующие композиции (как правило, изготавливаемые на основе фосфатных соединений), с одной стороны, способствуют биообрастанию, а с другой — в определенных условиях являются достаточно токсичными [5, 6].

Анализ сложившейся ситуации свидетельствует, что наиболее рациональным и экономичным направлением существенного снижения старых трубопроводов от дальнейшей электрокоррозии и очистки их от накопившихся биообрастаний является использование в процессах водоподготовки реагентов нового поколения на основе высокомолекулярного полимерного биоцида полигексаметиленгуанидина гидрохлорида (ПГМГ-ГХ), являющегося высокомолекулярной солью, состоящей из поликатиона гуанидиния, несущего большой положительный заряд, и анионов хлора.

ПГМГ-ГХ представляет собой твердое, стабильное вещество, сочетающее такие важные для технологии водоподготовки свойства, как высокий обеззараживающий потенциал, флокулирующие свойства, способность к комплексообразованию с органическими и минеральными примесями воды.

Выполненные исследования убедительно показали, что ПГМГ-ГХ не вызывает коррозии, не образует токсичных побочных продуктов при обеззараживании, биологически разлагается, безопасен при хранении, транспортировке и применении. Кроме того, было выявлено, что данное вещество не является окислителем, а его биоцидное и флокулирующее действие обусловлено электростатическим взаимодействием положительно заряженного поликатиона с отрицательно заряженной поверхностью клеток микроорганизмов, а также находящихся в воде отрицательно заряженных примесей воды.

Помимо указанного, ПГМГ-ГХ обладает широким спектром биоцидной активности: эффективен в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, подавляет анаэробную и аэробную микрофлору, вирусы, грибы, водоросли, простейшие, обеспечивает пролонгированное обеззараживание воды [3, 5, 6].

К настоящему времени группой российских ученых и специалистов компаний ОО НПО «ЭкоМир» и АО «Ленводоканалпроект» для использования в области водоочистки был разработан на основе ПГМГ-ГХ широкий спектр комплексных реагентов нового поколения (бактерициды, коагулянты, флокулянты), обладающих не только высоким обеззараживающим эффектом, позволяющим в том числе устранять биообрастание в системах трубопроводов, но и являющихся одновременно ингибиторами коррозии [3, 5].

Благодаря макромолекулярной природе и удачному сочетанию комплекса свойств (поверхностная активность, большой положительный заряд, высокая молекулярная масса), указанные реагенты обладают хорошей адгезией к поверхностям различной физико-химической природы, формируя на них адсорбционную пленку. Характерной особенностью этой пленки является то обстоятельство, что полимерная цепь ПГМГ-ГХ (входящего в состав реагентов нового поколения) связывается с поверхностью лишь за счет 10–15% своих звеньев, а остальные звенья полимерной цепи остаются свободными в виде «хвостов» и «петель», способных к эффективному взаимодействию с микроорганизмами, в связи с чем реагенты обладают высокой биоцидной активностью даже при очень низких концентрациях действующего вещества [6].

Сформировавшаяся адсорбционная пленка характеризуется большим положительным зарядом, в связи с чем притягивает к себе отрицательно заряженные клетки присутствующих в воде микроорганизмов и далее, вступая во взаимодействие с мембранами их клеток, разрушает их, подавляя тем самым биоценоз обрастания, соответственно процесс биокоррозии.

Одновременно следует отметить, что образованная на внутренней поверхности трубопроводов адсорбционная пленка (за счет использования в процессах водоочистки реагентов нового поколения) одновременно и защищает их от контакта с коррозионно-активной водой [7].

В качестве примера приведена таблица снижения содержания остаточного железа в водопроводной сети Зашекснинского района г. Череповца с 2011 по 2017 гг., являющейся с точки зрения коррозии трубопроводов наиболее неблагополучной. Это обусловлено тем, что в районе предполагалось интенсивное строительство жилья и предприятий, вследствие чего закладывались большие диаметры магистральных трубопроводов и разводящих сетей. Однако в дальнейшем данное расширение не осуществлялось, в связи с чем реальные скорости движения воды в трубопроводах Зашекснинского района оказались значительно ниже расчетных. В 2012 году на водоочистной станции взамен традиционных реагентов начали применять новые на основе ПГМГ-ГХ, что сказалось, в том числе, и на снижении содержания остаточного железа в воде, подаваемой населению данного района. Последнее обстоятельство напрямую свидетельствует об уменьшении коррозии внутренней поверхности трубопроводов.

Исходя из того, что коррозионная активность очищенной на ВОС воды за рассматриваемые годы практически не изменилась, снижение остаточного содержания железа в воде напрямую связано с процессами ингибирования коррозии, о чем свидетельствует статистика, приведенная в табл. 1.

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что за счет использования в процессе очистки воды взамен традиционных реагентов — комплексных реагентов нового поколения на основе ПГМГ-ГХ — можно существенно снизить коррозию внутренней поверхности металлических трубопроводов.

При этом было установлено, что переход на новые, более эффективные реагенты не только не увеличил себестоимости очистки воды в городе (которая и до того являлась одной из самых низких в России), но и позволил ее несколько снизить [3].

Таким образом, применением новых реагентов на основе ПГМГ-ГХ обеспечивается устранение микробиологической коррозии внутренней поверхности металлических трубопроводов при одновременном существенном снижении скорости их электрохимической коррозии без каких-либо дополнительных затрат.

Литература

1. Продоус О. А., Мурлин А. А., Иващенко В. В. «Системный подход при замене изношенных трубопроводов водоснабжения и водоотведения» // Журнал «ВВВ» «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». 2018/11 (131). — С. 36–40.

2. Продоус О. А. «Классификация факторов аварийности трубопроводов систем обеспечения жизнедеятельности городов» // Журнал «Безопасность жизнедеятельности», № 5, 2013. — С. 12–14.

3. Новиков М. Г., Продоус О. А. «Эффективные пути устранения микробиологической коррозии внутренней поверхности металлических трубопроводов при одновременном существенном снижении скорости их электрохимической коррозии» // Журнал «Водоочистки. Водоподготовка. Водоснабжение», № 12, 2017. — С. 40–43.

4. Менча М. Н. Биобрастание в системах питьевого водоснабжения и способы борьбы с ним. Журнал «АКВА» MAGAZINE, № 1(6). 2008. — С. 12–21.

5. Новиков М. Г., Воинцева И. И. «Преимущества применения ПГМГ-ГХ в процессах обеззараживания и очистки воды, предназначенной для хозяйственно-питьевых целей» // Журнал «Водоочистки. Водоподготовка. Водоснабжение», № 3 2017. — С. 40–45.

6. Воинцева И. И., Гембицкий П. А. «Полигуанидины — дезинфекционные средства и полифункциональные добавки в композиционные материалы» // М, «ЛКМ-пресс», 2009. — С. 220–330.

7. Нижник Т. Ю., Баранова А. И. и др. «Роль адсорбционных явлений в борьбе с биообрастаниями в системах водоснабжения». Зб. матеріалів науково-практичної конференції «Вода в харчовій промисловості». 2012. Одеса: ОНАХТ. — С. 74–76.

8. Воинцева И. И., Ильин С. Н. и др. «Инновационные технологии водоподготовки на комплексе водоочистных сооружений МУП «Водоканал» г. Череповца с использованием обеззараживающих средств на основе ПГМГ-ГХ» // Журнал «Вода: химия и экология». № 3, 2016. — С. 28–35.

Скачать статью в pdf-формате: Продление периода эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения из стальных и чугунных труб