V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Теплопровод – ключевой элемент в системе теплоснабжения. На стадиях проектирования и эксплуатации он должен рассматриваться как система, оснащенная комплексом мер по защите от влияния процессов, ведущих к ухудшению проектных характеристик и снижению продолжительности эксплуатации теплопровода. К таким процессам относятся коррозия металлоконструкций теплопроводов, передача тепла от теплоносителя в окружающую среду и др. В статье рассматриваются вопросы определения полноты катодной защиты теплопроводов, особенности строительства системы теплоснабжения в криолитозоне.

Защита от коррозии стальных труб тепловых сетей имеют свою специфику (высокие параметры теплоносителя, переменный режим работы, соответствующие деформации трубопроводов) и поэтому решается особо – с учетом коррозионной и технической характеристики теплоизоляционного покрытия.

Подземные стальные трубопроводы, как правило, защищают от коррозии с помощью изоляционных материалов. К сожалению, с течением времени изоляция подвержена старению, образуются микротрещины, микропоры, она постепенно разрушается, и в местах ее повреждений возникают процессы электрохимической коррозии. В лабораториях научно доказано, что если с помощью катодного тока снизить значение потенциала труба-грунт до значения от минус 0,87 до минус 1,1 Вольт, то скорость коррозии становится пренебрежительно малой.

В производственных условиях измерение потенциалов затруднено. Поэтому результаты измерений нередко приводят к ошибочным заключениям при экспертизе полноты катодной защиты [1].

Рис. 1. Схема к оценке полноты катодной защиты

Например, в точке С потенциал стального подземного сооружения равен φс, тогда потенциал грунта на обкладке двойного слоя установится потенциал равный по величине φс, но противоположный по знаку, т. е. |φс| = |-φг|. В тоже время в точке С’ на некотором расстоянии S (км) от точки дренажа (см. рис. 1) потенциал трубопровода, по причине выноса потенциала, будет оставаться практически равным φс, т. е. φс≈φc', в отличии от потенциала грунта φг’ в той же точки φс’.

Поэтому Uизм= φс – φс’(-φ г + φмэс) для точки С (в точке дренажа). Для отдаленной точки С’ при φс≈φc' и φг'≈0, а φмэс=const , получим измеряемое напряжение в точке дренажа всегда Uизм > U’изм, хотя потенциал φс’ на большом расстоянии S практически, как выше отмечено, остается равным φс≈φc'.

Таким образом, измеряемый потенциал по длине трубопровода не позволяет в полной мере судить о полноте катодной защиты.

Трубопровод защищен при условии iА=iК=0 или iС=iА=i’0, а не при условии |φс| = |-φг|.

В настоящее время используется контроль полноты катодной защиты, опираясь на косвенные измерения потенциального состояния защищаемого сооружения. Такие измерения приводят часто к ошибочным выводам, снижению надежности и безопасности эксплуатации теплопроводов. На рис. 2 представлена принципиальная схема системы катодной защиты.

Рис.2. Принципиальная схема катодной защиты.

Описание эксперимента. Если ключ Кл отключен, мы имеем два источника. Один источник выпрямленного напряжения с ЭДС Е – источник катодной защиты и другой источник тока, образованный гальваническими токами i+, i- защищаемого сооружения С и анодного заземления А. Одновременно заметим, что локализовать гальванический источник с показателями его электрических параметров с высокой для практики точностью не удаётся. Хорошо известно, что в любой электродной системе, в том числе и в системе катодной защиты ток обусловлен одновременным и противополярным движением анионов и катионов. Другого тока в электролитах не образуется.

Если Кл включен, амперметр рА зафиксирует ток I в цепи системы катодной защиты, но не ток i в электролите; вольтметр зафиксирует падение напряжения под воздействием суммарного значения токов i- и i+, но не напряжение источника; ваттметр зафиксирует Р полную активную мощность, поскольку Р=Р+ + Р- , где Р+ – затраченная электромагнитная энергия = IE на превращение химической энергии в гальваническом элементе и Р- на преобразование в теплоту.

Таким образом, прямыми измерениями можно получить основные и достаточные данные для анализа и контроля полноты катодной защиты.

Особенности строительства объектов теплоснабжения в северной строительно-климатической зоне обусловлено наличием многолетнемерзлого грунта (ММГ). На практике в условиях вечной мерзлоты прокладка теплопроводов часто выполняется открытым способом (на эстакадах), что ухудшает качество благоустройства территории. Прокладка теплопроводов подземным безканальным способом в просадочных ММГ затруднительна, т.к. потери тепла через теплоизоляцию трубы при значительных температурах теплоносителя (порядка 150℃) может привести к просадке грунта и высоким изгибающим моментам. Если на глубине оттаивания залегают непросадочные грунты, то допускается прокладка сетей в железобетонных лотках, но с обязательной вентиляцией [4].

Глубина оттаивания ММГ зависит от температуры теплоносителя, наличия теплоизоляции на поверхности теплопровода, теплофизических характеристик грунтов основания, климатических параметров района.

В рамках исследования определяется температурное состояние основания теплотрассы, возведенной в условиях вечной мерзлоты, на момент времени 300 лет с начала эксплуатации. В качестве теплопровода в расчете рассматривается одна труба с температурой теплоносителя 150℃, помещенная в бетонный лоток, заглубленный на глубину 1,87 м. Расчет производится численным методом [3] с использованием программы Tube. v.1.0. Расчетная схема представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема к расчету температурного состояния основания теплотрассы

Геотермическая ступень ММГ составляет 10 м/градус. Грунт основания – суглинок. В качестве опор теплопровода служит кладка из силикатного кирпича. Обратная засыпка выполняется из песка. Расчетная среднегодовая температура воздуха tвоздср.г.=-9℃; расчетная среднегодовая температура теплоносителя tтепл.ср.г.=+150℃. Допуском в данной постановке задачи является приведение конвективного теплообмена воздухом в пространстве между трубой и лотком к кондуктивному посредством учета повышенного коэффициента теплопроводности для воздуха – λконв.=0,1 Втм∙К [2].

Расчет выполняется в двух вариантах: для стальной трубы без теплоизоляции и для стальной трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана (ППУ) с коэффициентом теплопроводности 0,033 Втм∙К. Результаты расчета представлены на рис. 4.

Полученные результаты в данном случае позволяют произвести визуальную оценку необходимости устройства теплоизоляции. Анализ результатов показывает, что глубина ореола оттаивания под теплопроводом для двух вариантов отличается примерно в 2,5 раза.

Рис. 4. Температурные поля, полученные на момент времени через 300 лет после начала эксплуатации, для двух вариантов поверхности трубы

Библиографический список

1. Палашов В. В.Расчет полноты катодной защиты: монография /В. В. Палашов. – Л:Недра, 1988г.-137с.

2. Лыков А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. – М.: Высшая школа, 1967. С. 599-600.

3. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности / Л. А. Коздоба. – М.: Наука, 1975. – 227 с.

4. СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Код для цитирования: Скопировать