Накипь: виды и свойства

Накипь – это твердые отложения солей жесткости в теплообменных аппаратах, в которых происходит нагревание или испарение воды.

При низкой температуре соли жесткости находятся в воде в растворением состоянии, а при нагреве (особенно при кипении)  выделяются в виде шлама — илообразного осадка, находящегося в воде во взвешенном состоянии, или в виде накипи, твердо приставшей к поверхности нагрева котла.

Накипь, в зависимости от ее химического состава, может быть карбонатной с преобладающим (порядка 50% и более) содержанием углекислых солей кальция и магния (CaCO₃, MgCO₃), сульфатной (CaSO₄) или силикатной (кремнекислые соединения кальция, магния, железа, алюминия).

Карбонатная накипь откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда не щелочная. Этими поверхностями являются водяные экономайзеры, конденсаторы турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети и др.

В условиях же кипения щелочной воды (в парогенераторах, испарителях) СаСО₃ обычно выпадает в форме не прикипающего шлама.

Карбонатные накипи имеют самую разнообразную структуру. Они могут быть порошкообразными, представлять собой плотный котельный камень либо мягкие отложения в виде губчатой массы.

Удаление карбонатной накипи производят ингибированной соляной кислотой. При взаимодействии карбонатной накипи с серной кислотой образуется труднорастворимый осадок, препятствующий растворению накипи.

Карбонатная накипь хорошо растворяется при концентрации НСL от 1 — 2 до 3 — 5 % и температуре 50 ⁰С. Для ускорения процесса удаления накипи, а также при очистке от толстого слоя карбонатной накипи, содержащей соли серной и кремниевой кислот, при которых проникновение кислоты к подслою затруднено, температура и концентрация кислоты должны быть повышены.

Чтобы не допустить при этом коррозии металлических труб и стенок выпарных аппаратов, применяются замедлители коррозии — ингибиторы, позволяющие повысить концентрацию соляной кислоты до 10 % и несколько увеличить температуру раствора.

Отечественные ингибиторы — уротропин, формалин и уникол — выдерживают температуру до 70 ⁰С. Ингибиторы марок ПБ-7 и БГ пригодны для 10 % — ной соляной кислоты при 80 — 100 ⁰С.

Растворение карбонатной накипи, как правило, удовлетворительно идет без подогрева промывочного кислотного раствора. Лишь при наличии в накипи значительного количества иных отложений приходится прибегать к подогреву раствора. Вообще же, как правило, к подогреву промывочного раствора без надобности прибегать не следует. Расход ингибитора определяется содержанием его в г / л в рабочем промывочном растворе. Чаще всего применяется дозировка 1 — 2 г / л в зависимости от активности ингибитора. При этом рекомендуется применять крепость промывочного кислотного раствора тем больше, чем толще слой накипи. Применение раствора соляной кислоты крепостью выше 5 % не рекомендуется.

Содово-щелочной метод удаления накипи для карбонатной накипи совершенно неприменим. Он может быть применен для чисто гипсовых или силикатных накипей, или же для смешанных накипей с преобладанием в них сульфатных и силикатных составляющих.

Накипь, содержащая более 50% гипса, называется сульфатной. Сульфатная накипь обладает высокой твердостью и малой пористостью, она крепко пристает к поверхности стенки и отлагается в виде плотного котельного камня.

Силикатная накипь содержит более 20% кремневой кислоты, образуется на наиболее теплонапряженных элементах поверхности и обладает большой твердостью и очень малой теплопроводностью; чаще всего она встречается в котлах высокого давления и даже при малой толщине очень опасна.

В смешанной накипи имеются карбонаты кальция и магния, гипс и соединения кремневой кислоты. Строение ее зависит от преобладания той или иной составляющей.

Теплопроводность накипи является важной характеристикой, определяющей надежность и экономичность работы теплового оборудования. Величины коэффициентов теплопроводности зависят от структуры и химического состава накипи.

Коэффициент теплопроводности накипи чрезвычайно низок, он в десятки и даже сотни раз ниже, чем у металла. Даже незначительный слой накипи создает большое термическое сопротивление. Слой накипи толщиной в 1 мм по термическому сопротивлению эквивалентен 40 мм стальной стенки.

Средние значения коэффициента теплопроводности для различных видов накипи

Вследствие образования накипи в котельных установках ухудшается передача тепла от топочных газов к воде. Поэтому газы уходят из котла с более высокой температурой и значительно возрастает расход топлива.

При этом пористая накипь, или легко отстающая от стенки, вреднее чем плотно приставшая, так как пар или воздух в порах накипи или между накипью и стенкой, значительно ухудшают теплопередачу. Кроме того, зазор, образующийся между металлической стенкой и слоем накипи, сильно увеличивает температурный напор и приводит к опасному локальному перегреву.

Накипь препятствует охлаждению водой поверхностей нагрева. Вследствие нарушения теплообмена трубы экранов и других устройств нагреваются до высоких температур, значительно снижающих прочность металла.

Влияние толщины и теплопроводности накипи на температуру стенки парообразующей трубы котла для различных значений коэффициента теплопроводности

Приведенные значения температур вычислены при следующих условиях: температура топочного пространства 1100⁰ С, температура котловой воды 200⁰ С, толщина стенки трубы 5 мм, теплопроводность металла трубы 50 кал /м х ч х ⁰С, теплонапряжение поверхности нагрева без накипи 150 тыс. ккал/м² х ч.

Как видно из графика, достаточно незначительного по толщине (0,1 — 0,2 мм) слоя мало теплопроводной накипи на поверхности наиболее теплонапряженных экранных труб, чтобы температура металла на внутренней поверхности стенки достигла 500⁰ С и более.

Понижение прочности металла труб, испытывающих внутреннее давление воды и пара, приводит к образованию в них выпучин, разрывов. В практике эксплуатации стальных паровых котлов малой мощности весьма часты случаи аварий из-за значительного накипеобразования.

Поэтому при эксплуатации теплоэнергетических устройств необходимо удаление накипи с поверхностей нагрева и дальнейшее поддержание их в чистоте.

Химическое и механическое удаление накипи:

Представляют собой трудоемкий процесс, требующий большого объема ремонтно- профилактических работ, остановки оборудования, затрат на химреагенты и т.п. Кроме того, химическое удаление накипи небезопасно с точки зрения экологии.

Главное же — в промежутках между чистками накипь продолжает оседать на стенках оборудования и трубопроводов, а это означает невосполнимые потери в теплопередаче, перерасход энергоресурсов и денежных средств.