3.Отбор проб и упрощенный анализ отложений.
3.1. Снятие отложений
При эксплуатации паровых котлов на поверхностях нагрева образуются отложения различного состава, что обусловлено как примесями, присутствующими в воде, так и коррозионными процессами. Отложения в экранных трубах паровых котлов, в трубках различных подогревателей и конденсаторов часто называют накипью.
Снятие отложений механическим способом, т.е. с помощью скребков, ножиков и других приспособлений дает возможность при осторожном выполнении получать пробы, пригодные для исследования и химического анализа. Однако достаточно надежную оценку степени загрязненности труб отложениями таким способом получить нельзя, так как он имеет ряд серьезных недостатков: неполнота очистки из-за невозможности удалить отложения из мелких язвин и пор; засорение отложений материалом скребков и металлом трубы при интенсивном снятии накипи; затрудненность снятия прочно скрепленных отложений.
Особенно прочно связанные с металлом отложения можно снять путем сминания участка трубы в тисках. Для этого участок трубы длиной 10 см с очищенной наружной поверхностью разрезают вдоль на огневую и тыльную половины, затем одну из них закрепляют в тисках и скребком очищают рыхлые отложения, собирая их в отдельный бюкс или пакет. После этого закрывают отрезок трубы плотным листом бумаги и постепенно сильно сжимают тиски. При сминании металла отложения отскакивают, их пересыпают в другой пакет или бюкс. Обе пробы взвешивают и определяют степень загрязнения ими трубы в г/м2. Достаточно полное снятие отложений достигается также электролитическим способом.
3.2 Определение состава отложений и их физико-химических характеристик.
3.2.1 Подготовка отложений к анализу.
Материал для анализа, т.е. накипь или отложения, нужно подготовить: тщательно измельчить сначала в стальной ступке, а затем в агатовой до состояния пудры. Перед измельчением из пробы должны быть удалены частички грата, окалины и посторонние предметы.
3.2.2 Анализ отложений.
Химический и фазовый составы окислов, из которых формируются внутритрубные отложения, определяются с помощью химического и рентгеноструктурного анализов.
Химический анализ отложений и накипей состоит в определении потери при прокаливании, содержания кремнекислоты, фосфатов, сульфатов, железа, алюминия, меди, цинка, кальция, магния, натрия, а в отдельных случаях и других веществ. Отложения, образовавшиеся на внутренних поверхностях котлов, содержат окислы железа; сульфаты, силикаты и фосфаты железа, алюминия, кальция, магния, натрия и цинка; металлическую медь и ее окислы. В меньших количествах могут присутствовать соединения марганца, хрома, никеля, молибдена, титана, олова и других элементов.
В зависимости от типа отложений объем анализа может меняться. Так, в котельных накипях, образовавшихся в трубах барабанных котлов, нет смысла определять содержание растворимых в воде примесей (обычно их нет вследствие контакта с котловой водой). В отложениях из труб котлов прямоточного типа нет смысла определять содержание фосфатов, так как для этих котлов фосфатирование не проводится. Обычно в этих отложениях отсутствуют и органические вещества.
По способам анализа котельные отложения удобно разбить на две группы:
1) отложения, образующиеся в трубах барабанных котлов;
2) отложения, образующиеся в трубах прямоточных котлов и в трубах пароперегревателей.
Учитывая значительное разнообразие составов накипей и отложений, обусловленное различными составами вод, особенностями водно-химических режимов и отличиями эксплуатационных режимов оборудования, предлагаются наиболее простые в осуществлении, но достаточно точные способы определения их отдельных составляющих. Основу отложений чаще составляют соединения (оксиды) железа и цинка, а также металлическая медь и ее оксиды. Повышенное содержание щелочно-земельных металлов указывает на явные дефекты в эксплуатации водоподготовительного оборудования, на присосы охлаждающей воды или на неправильное ведение водно-химических режимов. Поэтому основное внимание в рекомендуемых методиках обращено на определение содержания именно этих компонентов накипей и отложений.
С помощью рентгеноструктурного анализа в составе отложений идентифицированы такие минералы, магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3, вюстит FeO, сложные алюмо- и ферросиликаты, свободная кремнекислота SiO2. nH2O, гидроксилапатитСа10(РО4)6(ОН)2, феррофосфат натрия NaFePO4, серпентин Н4(МqFe)3SiO2. Возможно также присутствие в накипях фосфата железа FePO4. Могут быть обнаружены и углеродсодержащие вещества органического происхождения.
3.2.3 Определение физико-химических характеристик отложений.
Количество отложений, отнесенное к площади поверхности металла, характеризует удельную массу отложений в г/м2.
Обычно количество отложений определяется взвешиванием образца до и после снятия их с поверхности металла.
Иногда требуется оценить изменение соотношения удельных количеств образований в наружном и внутреннем слоях в зависимости от их общего количества и, таким образом, косвенным путем выявить влияние времени эксплуатации поверхности нагрева на это соотношение. Послойное определение толщины отложений производится двумя методами:
- по первому методу при измерениях с одной части внутренней поверхности образца снимается наружный рыхлый слой, с другой – как наружный, так и внутренний. При этом образуются две ступеньки: между поверхностями наружного и внутреннего слоев и между поверхностями внутреннего слоя и металла. Кроме того, для измерения суммарной толщины слоя образований делается еще одна ступенька – между поверхностями наружного слоя и металла. Измерение высоты полученных таким образом ступеней проводится с помощью металлографического микроскопа в нескольких точках по одной образующей трубчатого образца. Для менее точных измерений допускается использование штангенциркуля. Суммарная толщина образований, определенная путем сложения толщин внутреннего и наружного слоев, сравнивается с толщиной всего слоя, полученной в результате прямого измерения;
- второй метод предусматривает измерения толщины слоев образований на поперечных шлифах на микроскопе. При этом толщина определяется как среднее из трех-четырех значений, полученных по периметру кольца.
Объемная плотность отложений рассчитывается по экспериментально полученным значениям их количества и объема. Объем слоев подсчитывается по измеренной средней их толщине и площади поверхности, определенной по номинальному внутреннему диаметру образца. Подсчет значений плотности в граммах на кубический метр проводится по формуле:
После определения плотности может быть определена средняя пористость слоев отложений по формуле:
Теоретическая плотность магнетита составляет 5,18 г/см3.
Одной из важных структурных характеристик, позволяющих правильно интерпретировать процесс теплопередачи в слоях внутренних образований, является тип пор (макропоры и микропоры, открытого и закрытого типов) и их проницаемость (эффективный диаметр пор). Для определения эффективного диаметра макропор открытого типа используется метод капиллярного смачивания. Известно, что при частичном погружении капиллярной системы в жидкость, последняя поднимается по капиллярам под действием сил поверхностного натяжения. Скорость этого движения зависит, в частности, от диаметра капилляра, который можно определить по формуле:
Оценка состояния поверхностей нагрева котлов по накипи, коррозии, отложениям и растворимым солям может быть проведена по таблицам, составленным на основании опыта эксплуатации.