3.7. Структура отложений

Структура отложений и их количество зависят от определяющих при данных условиях процессов доставки примеси, осаждения и закрепления ее на поверхности трубы.

В общем случае отложения примесей разделяют на два слоя:

- верхний слой (наружный,эпитактический) - рыхлый, слабо сцепленный с нижним слоем, легко снимается при механическом воздействии; состоит из хаотично расположенных кристаллов размером 1 - 6 мкм и из конгломератов округлых частиц размером в десятые доли микрона; поры пронизывают весь слой в разных направлениях;

- нижний слой (внутренний, топотактический) - прочно сцеплен с поверхностью металла, состоит из сросшихся кристаллов размером 1 - 2 мкм, плотный с малым количеством пор (рис.3.7.1).

Соотношение удельных количеств отложений в наружном g_н и внутреннем g_вн зависит от их общего количества g (рис.3.7.2). Линейный характер этой зависимости говорит о том, что продолжительность формирования отложений не влияет на закономерность распределения примеси между слоями. Зависимость толщин наружного δ_н и внутреннего δ_вн слоев от массы отложений так же линейна, т.е. пористость и плотность слоев остается практически постоянной при увеличении массы отложений.

Средняя пористость отложений П,%, определяется по плотности отложений ρ_отл и собственно магнетита ρ_маг (ρ_маг = 5.18 г/см³): П = 100(ρ_маг - ρ_отл )/ ρ_маг.

Характеристика наиболее распространенных в прямоточных котлах СКД железоокисных отложений представлена в табл.3.7.1.

таблица 3.7.1. Свойства железоокисных отложений на поверхности труб

Параметр	Топотактический слой	Эпитактический слой
Внешняя поверхность	относительно ровная	неровная, волно-образная, зубчатая
Структура	приближается к струк-туре металла, плотная (1-2 мкм)	слипшиеся высокодис-персные частицы (1-6 мкм), рыхлая, пористая
Плотность, г/см3	4 - 4.4	0.7 - 2
Теплопроводность, Вт/мК	0.85 - 3	0.3 - 1.5
Пористость, П,%	10 - 30 (средняя - 20)	30 - 50 (средняя - 40)
Ширина макротрещин, мкм	0.8 - 1.5	3 - 8
Размер микропор, мкм	0.5	1
Доля микропор в общей пористости,%	85	75

Адгезионная прочность наружного (эпитактического) слоя существенно ниже, чем внутреннего (топотактического). Поэтому при различных изменениях скорости потока (при пуске и останове котла, переменные режимы и т.д.) происходит частичный смыв примеси с наружного слоя отложений. Поступившие при этом в водный теплоноситель частицы примеси разносятся по контуру блока и, если их не удаляют из цикла, образуют рыхлые отложения на поверхности труб.

Соотношение массы отложений и толщины слоя отложений g = 4.08δ, где g -в г/м²; δ - в мкм.

Объемная плотность отложений ρ_отл, г/см³, определяется по формуле ρ_отл = g/δ_отл; ρ_н = g_н /δ_н; ρ_вн = g_вн /δ_вн;

δ_отл = δ_н + δ_вн, мкм .

3.8. Химический состав отложений

Состав примесей водного теплоносителя зависит от системы подготовки воды, обработки конденсата, присосов в конденсаторе, типа и параметров парового котла, воднохимического режима и других факторов. Большое разнообразие примесей и условий их существования в пароводяном тракте котла приводит, естественно, к различным по химическому составу и своим характеристикам отложениям. Можно выделить по составу следующие основные группы отложений.

1. Железооксидные отложения.

При 100-ной конденсатоочистке и подготовке питательной воды по схеме глубокого обессоливания около половины примесей питательной воды котлов СКД составляют продукты коррозии железа. В составе отложений оксидов железа более 90-95%. При докритическом давлении в барабанных и прямоточных котлах по мерер увеличения давления и улучшения системы подготовки воды доля железооксидных отложений также растет.

Оксиды железа, поступающие в котловую воду, превращаются в ней в магнетит Fe₃O₄, который и является основой железооксидных отложений. Другие формы оксидов (Fe₂O₃) образуют, в основном, шламовые осадки.

С ростом температуры растворимость магнетита уменьшается, значительная часть оксидов железа находится в дисперсном, а не истинно-растворенном состоянии. Поэтому отложения образуются не только за счет кристаллизации, но и за счет электрокинетических процессов. Дисперсные частицы несут электрический заряд (адсорбция ионов из теплоносителя, диссоциация собственных молекул). Под воздействием электрофоретических сил они осаждаются на поверхности нагрева и образуют отложения.

Скорость образования отложений А, мг/(см²ч), зависит линейно от концентрации С_Fe, мг/кг, и от теплового потока q,Вт/м², во второй степени: dg/dτ = A_Fe = 5.7*10^-14С_Feq².

2) Щелечноземельные отложения

Щелечноземельные отложения состоят из соединений кальция и магния. Эти соединения попадают в питательную воду с присосами в конденсаторе и с добавочной водой. В котловой воде обычно присутству-ют: CaSiO₃, CaSO₄, CaCO₃, CaCl₂ и другие соединения. Интенсивное отложение соединений кальция (аналогично и магния) происходит при превышении концентрации Ca²⁺ и анионов произведения растворимости.

Скорость образования отложений Ca и Mg от их концентрации нелинейная, но для оценки можно использовать формулу

A_(Ca+Mg) = 1.3*10^-13С_(Ca+Mg)q².

2. Отложения соединений меди.

Оксиды меди в питательной воде появляются в результате коррозии латунных труб конденсатора, ПНД или деталей насоса, содержащих медь. Уже при концентрации меди порядка 3 мкг/кг происходит интенсивное отложение меди на участках с высокими тепловыми потоками или в местах глубокого упаривания воды. В отложениях присутствует, главным образом, чистая медь. Восстановление ионов меди до чистой меди происходит при контакте их с чистым железом. Процесс этот электрохимический, для его осуществления необходима достаточно высокая разность потенциалов. Поэтому медные отложения образуются в заметных количаствах в зоне тепловых потоков выше порогового значения q₀ = 200 кВт/м².

Скорость образования отложений меди описывается формулами типа A_Cu = KС_Cu^1/nq(q - q₀).

Величина n = 5.4 - 6.2.Скорость A_Cu мало зависит от концентрации соединений меди в воде.

4) Алюминиевые отложения (алюмосиликатные, силикатные с преобладанием свободной SiO₂). Реальные концентрации кремниевой кислоты в питательной воде изменяются от 10 мкг/кг SiO₂ при непрерывной длительной эксплуатации до 100 мкг/кг при пуске. Эти величины находятся ниже растворимости, однако кремнекислота всегда присутствует в отложениях при высоких давлениях. Возможно, кремниевая кислота способна вступать в различные реакции, например, с оксидами железа с образованием ферросиликатов.

5. Отложение легкорастворимых соединений

В питательной воде паровых котлов могут присутствовать соединения натрия в виде NaOH, NaCl, Na₂SO₄, Na₂SiO₃. Эти соединения обладают большой растворимостью при высоких параметрах, но за счет адсорбции на поверхностях нагрева, за счет химического взаимдействия с отложениями, соединения натрия присутствуют в составе отложившихся веществ.

Интенсивное отложение соединений натрия происходит при глубоком упаривании воды, сопровождающимся концентрированием примеси, в пристенном слое (при высоком тепловом потоке, малой скорости потока и т.п.) или в потоке теплоносителя в испарительных поверхностях. В этом случае концентрация веществ превышает растворимость, и они кристаллизируются на поверхности трубы или в потоке теплоносителя.

Примерный состав отложений:

Котлы СКД (НРЧ). Основное количество - оксиды железа (магнетит). Кроме того: оксиды кремния (4.5%), марганца (1.2%), магния (0.45%), никеля (0.6%), алюминия (0.3%); медь, кальций. Во внутреннем слое содержатся легирующие элементы, входящие в состав стали (молибден, хром, ванадий).

Барабанные котлы. Таблица 3.7.2

Отсек	SiO2	Al2O3	Fe2O3	FeO	CaO	MgO
Чистый	2.1	2.7	37.7	12.4	3.5	3.8
Солевой	1.26	9.17	42.5	14	2.7	1.8

Продолжение таблицы 3.7.2

Отсек	CuO	P2O5	Na2O	SO3	Отложен. г/м2
Чистый	3.7	18.3	1.6	0.4	790*/-
Солевой	3	9.6	-	9.9	1450* 495**

Обозначено: * - огневая сторона; ** - тыльная сторона.

Таблица 3.7.3. Железооксидные отложения

Котел	SiO2	Fe2O3	CaO	MgO	P2O5	Cu
ТП-230 Чистый отсек	2.6	96	3.6	-	2.5	1.5
ТП-170 Солевой отсек	3.3	67	8	3	13.4	4.6

Таблица 3.7.4. Отложения меди (режим Na₃PO₄). Котел ТМ-200, чистый отсек

	SiO2	Fe2O3	CaO	MgO	P2O5	Cu
Верхний слой	3.2	12	следы	следы	следы	85
Средняя проба	2.4	35	5	2.2	7.4	21