Установка обратного осмоса — это агрессивная среда для металла. Высокий хлорид концентрата, агрессивный пермеат, реагенты для химической промывки, влажная и солёная атмосфера снаружи, давление до 83 бар и вибрация насосов. Если выбрать материал «по средней цене», через несколько месяцев из питтинга в трубопроводе пойдёт продукция коррозии, она осядет на мембранах, и установку придётся не только ремонтировать, но и менять рулоны.
Эта статья — про то, как выбирают материалы для напорного контура обратного осмоса в зависимости от солесодержания (TDS) концентрата. Все рекомендации — стандартная инженерная практика для систем опреснения, ничего «по ощущениям».
Почему материалы — отдельный вопрос для обратного осмоса
В установке обратного осмоса коррозионная среда есть и снаружи, и внутри. Снаружи это влажная солёная атмосфера и проливы. Внутри — широкий спектр обрабатываемых вод, концентрата с высоким содержанием хлоридов, агрессивный пермеат с низкой минерализацией и реагенты для мойки мембран.
С наружной коррозией обычно справляются защитным покрытием — окраской, горячим цинкованием, регулярной программой обслуживания (промывка, ремонт протечек, очистка). Это касается тех узлов, где основой служит углеродистая сталь, чугун и подобные материалы, склонные к коррозии в атмосфере.
Внутренняя «мокрая» сторона сложнее. Материал должен выдерживать давление, температуру, вибрации и одновременно сопротивляться коррозионной атаке хлоридов, агрессивной воде пермеата и реагентам.
Где можно обходиться неметаллами
В низконапорной части установки (давление меньше 10 бар, 145 psi) широко применяют пластики и стеклопластик (FRP). Это касается самих мембранных элементов и корпусов под рулоны. На таких давлениях неметаллические материалы решают сразу две задачи: защищают от коррозии и от химической атаки реагентов.
Где без металла не обойтись
Высоконапорные участки — насосы, трубопроводы, арматура — почти всегда металлические. Диапазон давлений здесь от 10 до 83 бар (145–1200 psi). Углеродистая и низколегированная сталь не обладают достаточной коррозионной стойкостью, а их продукты коррозии загрязняют мембраны.
Футерованные трубопроводы (lined piping) — теоретически вариант, но на практике не работает: монтаж компактный, много соединений и фитингов, и каждый стык — потенциальный дефект футеровки. Алюминиевая бронза (al-bronze) подходит для отдельных насосов, но ей нужно учитывать риск эрозионной коррозии и реакцию с реагентами химической промывки. В итоге основным материалом высоконапорной части остаётся нержавеющая сталь.
Чем хороша и чем опасна нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь хорошо сопротивляется общей коррозии и эрозионной коррозии. Гальваническая коррозия для самой нержавейки редкость, но в паре с другим металлом (медь, латунь и т. п.) она усиливает атаку на этот второй металл. Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) в хлоридсодержащих средах для нержавеющих сталей практически не наблюдается ниже 70 °C (158 °F), поэтому в установках опреснения этим видом коррозии можно пренебречь.
Но у нержавейки есть две локальные формы коррозии, которые в среде установки обратного осмоса как раз актуальны:
- Питтинг. Локальная атака — отверстия в металле. Возникает там, где разрушается пассивная плёнка из оксидов хрома и хлориды получают доступ к голому металлу.
- Щелевая коррозия (crevice corrosion). По сути тот же питтинг, но в зонах застойной воды: щели под прокладками, отложения, пазы под болтами, тупиковые участки.
Чтобы избежать обоих видов коррозии, материал подбирают по самому агрессивному потоку в системе — потоку концентрата. Граница, которая делит установки на «лёгкие» и «тяжёлые», — TDS концентрата 7000 ppm.
Мембраны обратного осмоса, нанофильтрации и ультрафильтрации
Элементы 2540, 4040, 8040 — серии BW, SW, LP, ULP, XLP, FR, HOR.
Установки с TDS концентрата ≤ 7000 ppm
Это типичные системы на солоноватой воде: водопровод, скважина с умеренной минерализацией, повторное использование производственных стоков с невысоким TDS. Концентрат у таких установок обычно остаётся ниже 7000 ppm даже при средней-высокой степени извлечения (recovery).
Для трубопровода в таких системах минимальный допустимый материал — нержавеющая сталь типа AISI 316L с содержанием углерода менее 0,03%. Если поставить сталь более низкого класса с более высоким содержанием углерода, в зонах сварки начнётся межкристаллитная коррозия (intergranular corrosion) и питтинг около швов.
Для несварных деталей обычно достаточно стали типа AISI 316. Это касается участков, где материал не подвергается сварке: фасонные элементы, метизы, посадочные места, которые обрабатываются механически.
Что важно проверить при проектировании
- В технической документации на трубы должно стоять именно AISI 316L (UNS S31603), а не «316» с углеродом до 0,08%.
- Сварные швы должны выполняться с применением защитного газа (backing gas), чтобы оксидная плёнка шва не стала очагом щелевой коррозии.
- После монтажа всю систему трубопроводов следует протравить и пассивировать. Это даёт максимальную защиту от хлоридной атаки.
Установки с TDS концентрата > 7000 ppm
Это уже системы на сильно минерализованной воде: морская вода, рассолы, промышленные сбросы, опреснение пластовых вод. У таких установок концентрат может содержать 30–70 г/л солей и более, и хлориды атакуют нержавейку гораздо агрессивнее. AISI 316L здесь уже не справляется.
Для труб и отводов под сварку, а также для аналогичных деталей без щелей, рекомендуется нержавеющая сталь типа 904L (UNS N08904). Это аустенитная сталь повышенной коррозионной стойкости с ~4–5% молибдена и 1–2% меди.
В местах, где щели всё-таки возникают по конструкции, — фланцевые соединения, клапаны, насосы — нужна более стойкая сталь. Здесь используется 254 SMO (UNS S31254) или аналог с содержанием молибдена не менее 6%. Такие сплавы относят к супер- аустенитным нержавеющим сталям и обозначают «6Mo».
Эти две высоколегированные стали — 904L и 254 SMO — можно сваривать между собой без риска гальванической коррозии. Это удобно: основные прямые участки трубопровода идут из 904L, а там, где конструктивно неизбежны щели, ставят арматуру и фланцы из 254 SMO.
Чувствительные элементы приборов (датчики давления, расхода, проводимости и т. п.) могут иметь покрытие или футеровку из стойкого материала, если их корпус не сделан из подходящей стали.
Сравнительная таблица материалов
Состав основных нержавеющих сталей, упомянутых выше, — для тех, кому нужно сверить с протоколом анализа от поставщика трубы или с сертификатом проката.
| Марка | UNS | C, % | Cr, % | Ni, % | Mo, % | Cu, % | N, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AISI 316 | S31600 | < 0,08 | 16,0–18,0 | 10–14 | 2,0–3,0 | — | — |
| AISI 316L | S31603 | < 0,03 | 16,0–18,0 | 10–14 | 2,0–3,0 | — | — |
| 904L | N08904 | < 0,02 | 19,0–23,0 | 23,0–28,0 | 4,0–5,0 | 1,0–2,0 | — |
| 254 SMO | S31254 | < 0,02 | 19,5–20,5 | 17,5–18,5 | 6,0–6,5 | 0,5–1,0 | 0,18–0,22 |
Логика выбора по этой таблице простая: чем выше TDS концентрата и чем больше в конструкции щелей, тем выше должна быть сумма «Cr + Ni + Mo + N». Молибден и азот — главные «противопиттинговые» легирующие элементы для хлоридных сред.
Краткая шпаргалка по сферам применения
- AISI 316 — несварные детали в установках с TDS концентрата ≤ 7000 ppm.
- AISI 316L — сварной трубопровод и арматура в установках с TDS концентрата ≤ 7000 ppm.
- 904L — сварной трубопровод и аналогичные детали без щелей при TDS концентрата > 7000 ppm.
- 254 SMO (или аналог 6Mo) — фланцы, клапаны, насосы и другие узлы со щелями при TDS концентрата > 7000 ppm.
Гальваническая и щелевая коррозия — типовые ошибки
Даже правильно подобранный материал можно «убить» неправильной конструкцией или монтажом. Дальше — список того, на чём чаще всего теряют ресурс трубопровода в установках обратного осмоса.
Конструкция
- Щели и тупики. Любая щель — потенциальный очаг щелевой коррозии. Правильный подход — минимизировать щели и тупиковые участки на этапе проектирования. Если тупик неизбежен (для датчика, для дренажа), его делают коротким и регулярно промывают.
- Скорость потока ниже 1,5 м/с. При низкой скорости пассивная плёнка хуже формируется и поддерживается, а взвеси и отложения оседают на стенке, создавая ту же «искусственную щель». Целевая скорость в трубопроводе — выше 1,5 м/с (5 фут/с).
- Сварка без защитного газа. Без backing gas с обратной стороны шва образуется оксидная плёнка, которая работает как очаг щелевой коррозии. Защитный газ нужен на ответственных швах в напорной части.
Подготовка системы
- Нет травления и пассивации. После монтажа трубопровод протравливают и пассивируют. Это снимает оксидную окалину после сварки и формирует плотную пассивную плёнку. Пропуск этого шага — гарантированный риск преждевременного питтинга.
- Простой с солёной водой внутри. Перед длительной остановкой систему промывают водой с низким TDS. Если оставить концентрат в трубах на простой, хлориды в стоячей воде будут методично работать на питтинг и щелевую коррозию.
Гальванические пары
Сама по себе нержавеющая сталь обычно не страдает от гальванической коррозии. Но если её соединить с медью, латунью или другим менее благородным металлом — ускоряется коррозия именно второго металла, не нержавейки. На практике это означает: переходники к медной обвязке, бронзовым корпусам, латунным фитингам нужно проектировать осознанно, а не «как получится».
Между сталями 904L и 254 SMO гальваническая пара не образуется — это специально учтено при подборе сплавов для морских установок. Их можно сваривать и стыковать без диэлектрических вставок.
Установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС
Готовые промышленные и коммерческие системы 4040 и 8040 от 0,25 до 50 м³/ч.
