Защита нефтепромысловых трубопроводов от коррозии

Примеры образования гальванических элементов из одного металла приведены  на рис. 2.

 

Рисунок 2 — Примеры образования  гальванических элементов

 

В первом случае анодом является электрод, помещенный в подогретый электролит. Это связано с тем, что в подогретом электролите  растворение металла происходит более интенсивно. Аналогичная картина  наблюдается и в слабоконцентрированном растворе собственной соли по сравнению с концентрированным раствором этой соли. Наконец, при подаче к одному из электродов воздуха на нем облегчается протекание реакции кислородной деполяризации, характерной для катода.

 

Рисунок 4 — Примеры возникновения  коррозионных элементов на трубопроводе в результате различия условий на поверхности металла: А — анодная зона; К — катодная зона (стрелки указывают направление движения ион-атомов метала

К образованию коррозионных элементов на поверхности трубопроводов  приводит различный доступ кислорода  к разным участкам его поверхности, разная влажность грунта, неоднородность микроструктуры металла. Примеры возникновения  коррозионных элементов приведены  на рисунке 4.

Влияние состава среды

Нефти представляют собой  смесь различных углеводородов  с неуглеводородными компонентами (спирты, фенолы, соединения серы, кислорода и др.). Если предельные и непредельные углеводороды совершенно инертны к металлам, то неуглеводородные компоненты вступают с ними в химическую реакцию. Особенно опасны сернистые соединения (элементарная сера, сероводород, меркаптаны), которые являются причиной от 3 до 20 % случаев коррозионного повреждения внутренней поверхности трубопроводов. Сернистые соединения нефти попадают при ее переработке и в нефтепродукты.

Большую опасность в коррозионном отношении представляют также органические кислоты, образующиеся в результате окисления углеводородной и неуглеводородной составляющих товарных топлив при их хранении и применении.

Таким образом, нефтепродукты  в той или иной мере являются коррозионно-активными.

Механизм наведения блуждающих токов на подземные металлические  сооружения и их разрушения

Появление блуждающих токов  в подземных металлических сооружениях  связано с работой электрифицированного транспорта и электрических устройств, использующих землю в качестве токопровода. Источниками блуждающих токов являются линии электрифицированных железных дорог, трамваев, линии электропередачи, установки катодной защиты и др.

При работе электрифицированного транспорта ток совершает движение от положительной шины тяговой подстанции по контактному проводу к двигателю  транспортного средства, а затем  через колеса попадает на рельсы, по которым возвращается к отрицательной  шине тяговой подстанции. Однако из-за нарушения перемычек между рельсами (увеличение сопротивления цепи), а  также низкого переходного сопротивления  «рельсы — грунт» часть тока стекает  в землю. Здесь она натекает на подземные металлические сооружения, имеющие низкое продольное сопротивление, и распространяется до места с  нарушенной изоляцией, расположенного недалеко от сооружения с еще меньшим  продольным сопротивлением. В месте  стекания блуждающих токов металл сооружения теряет свои ион-атомы, т. е. разрушается.

Блуждающие токи опасны тем, что они стекают, как правило, с небольшой площади поверхности, что приводит к образованию глубоких язв в металле в течение  короткого времени.

Закономерности коррозионного  растрескивания под напряжением (КРН)

Коррозионное растрескивание под напряжением (стресс-коррозия, карбонатное  растрескивание) — это разрушение металла вследствие возникновения  и развития трещин при одновременном  воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды.

Впервые упоминания о КРН  появились в начале 60-х годов XX века после того, как данное явление  было зафиксировано на газопроводах высокого давления в Австралии, Канаде и США. В начале 80-х годов оно  было идентифицировано на газопроводах, проложенных в пустынных и  полупустынных районах Средней  Азии и Казахстана. В настоящее  время, по данным Ростех-надзора, КРН является главной причиной разрушения линейной части магистральных газопроводов.

Внешне КРН выглядит как  группы трещин, ориентированных преимущественно  вдоль оси трубы. Трещины могут  проникать в тело трубы на различную  глубину. Нарушение целостности  газопровода происходит в результате протяженного разрушения, когда трещины  или группы трещин достигают критического размера и происходит быстрый, так называемый «долом».

Трещины зарождаются на внешней  поверхности трубопровода в нижней части трубы в районе 5.. .7 часов  условного циферблата. Коррозионному  растрескиванию подвергаются как основной металл труб, так и сварные соединения. Наиболее часто КРН развивается  в 20-километровой зоне после компрессорной  станции, а также при наличии  водных потоков, которые направлены вдоль трубопроводов или пересекают их.

Зонами риска с точки  зрения КРН являются участки с  пересеченной местностью, где трубопровод  не прилегает ко дну траншеи, поэтому  между ними существует воздушный  зазор. 40 % всех аварий по причине КРН  связано с нарушением целостности  изоляционного покрытия.

Все стресс-коррозионные разрушения последних лет происходят в нейтральных и слабокислых грунтах (рН=4,5...7). Многочисленные наблюдения аварийных разрушений за рубежом свидетельствуют, что КРН во многих случаях провоцируется локальной коррозией, и поэтому развитие КРН напрямую связано с коррозионной активностью грунтов.

Единого мнения о механизме  КРН пока нет. Один из возможных «сценариев»  ее развития выглядит следующим образом:

1) под некачественно нанесенное  или поврежденное изоляционное  покрытие трубопровода попадает  грунтовая вода;

2) в результате действия  катодной защиты, обеспечивающей  наложение отрицательного потенциала  на трубопровод, большая часть  катионов водорода, содержащихся  в грунтовой воде, превращается  в атомы и молекулы водорода  на поверхности металла 2Н⁺ +ẽ →Н₂), что приводит к дополнительному отслоению изоляционного покрытия;

3) часть атомов или катионов  водорода проникает в металл, нарушая его структуру и приводя  к его охрупчиванию;

4) от действия переменной  нагрузки на поверхности металла  образуются трещины, в которые  проникает почвенный электролит, и описанный выше процесс повторяется;

5) при достижении одной  из трещин критических размеров  наступает «внезапное» разрушение  трубопровода.

Подводя итоги вышесказанному, можно сделать неутешительный вывод, что коррозия трубопроводов —  процесс неизбежный. Однако человек, вооруженный знанием механизма  коррозии, может затормозить его  таким образом, чтобы обеспечить сохранение работоспособности трубопроводов  в течение достаточно длительного  времени.

 

3. Способы защиты трубопроводов  от коррозии

 

Способы защиты трубопроводов  от наружной коррозии подразделяются на пассивные и активные.

Продлить срок службы трубопроводов  можно, применяя следующие способы  защиты:

• изоляцию поверхности Me изделий от агрессивной среды (пассивная защита), т.е. нанесение на поверхность Me слоя химически инертного, относительно Me и агрессивной среды, вещества с высокими диэлектрическими свойствами;

• воздействие на Me с целью повышения его коррозионной устойчивости, т.е. обработка его окислителями, вследствие чего на его поверхности образуется плёнка из продуктов коррозии, например, травление стали персульфатом аммония (NH₄SO₈) при этом на поверхности стали образуется продукт коррозии - магнетит, что увеличивает сопротивление высокопрочных сталей коррозионному растрескиванию (в щелочных средах);

• нанесение на металл конструкции  из малостойкого металлического тонкого  слоя другого металла, которые обладают меньшей скоростью коррозии в  данной среде, например, горячее алюминирование, оцинкование, хромирование;

• воздействие на ОС с  целью снижения её агрессивности, т.е. введение в среду ингибитора (замедлителей) коррозии. К этому способу мояно отнести очистку воздуха от примесей и осушку его, обрабоцсу почвы ядохимикатами, снижают интенсивность жизнедеятельносги микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии и т.д.

Пассивные способы защиты предусматривают изоляцию наружной поверхности трубы от контакта с  грунтовыми водами и от блуждающих электрических токов, которая осуществляется с помощью противокоррозионных диэлектрических покрытий, обладающих водонепроницаемостью, прочным сцеплением с металлом, механической прочностью. Для изоляции трубопроводов применяют покрытие на битумной основе, на основе полимеров и лаков.

Для защиты от электрохимической  коррозии применяются активные способы  электрохимической защиты.

Активные способы защиты трубопроводов от наружной коррозии предусматривают создание такого электрического тока, в котором весь металл трубопровода, несмотря на неоднородность его включений, становится катодом, а анодом является дополнительно размещенный в  грунте металл. Существуют два вида активной защиты трубопроводов от наружной коррозии — протекторная и катодная.

 

3.1 Защитные покрытия для  трубопроводов

 

Изоляционные покрытия, применяемые  на трубопроводах, должны удовлетворять  следующим основным требованиям:

• обладать высокими диэлектрическими свойствами;

• быть сплошными;

• обладать хорошей адгезией (прилипаемостью) к металлу трубопровода;

• быть водонепроницаемыми;

• обладать высокой механической прочностью и эластичностью; высокой  биостойкостью;

• быть термостойкими (не размягчаться под воздействием высоких температур и не становиться хрупкими при низких);

• конструкция покрытий должна быть сравнительно простой, а технология их нанесения — допускать возможность  механизации.

Материалы, входящие в состав покрытия, должны быть недефицитными, а само покрытие — недорогим, долговечным.

Противокоррозионную защиту подземных трубопроводов осуществляют:

• покрытиями на основе полимерных материалов (полиэтилена, термоуса-живающихся и термореактивных полимеров, эпоксидных красок и др.), наносимыми в заводских или базовых условиях;

• покрытиями на основе термоусаживающихся материалов, полимерных липких лент, битумных и асфальтосмолистых мастик, наносимыми в базовых и трассовых условиях.

Государственный стандарт по защите от коррозии рекомендует 22 конструкции  защитных покрытий трубопроводов нормального  и усиленного типов. Покрытия усиленного типа значительно более разнообразны по конструкции (их 19). К ним предъявляются  повышенные требования по таким показателям, как прочность и относительное  удлинение при разрыве, адгезия  к стали, переходное сопротивление  и др.

Усиленный тип защитных покрытий применяется на трубопроводах диаметром 820 мм и более независимо от условий  прокладки, а также независимо от диаметра трубопроводов при прокладке  их в зонах повышенной коррозионной опасности:

• в засоленных почвах любого района страны;

• в болотистых, заболоченных, черноземных и поливных почвах, а  также на участках перспективного обводнения или орошения; на подводных переходах  и в поймах рек, а также на переходах  через железные и автомобильные  дороги;

• на участках промышленных и бытовых стоков, свалок мусора и шлака;

• на участках блуждающих токов  источников постоянного тока;

• на участках трубопроводов  с температурой транспортируемого  продукта выше 30 °С;

• на территориях насосных станций;

• на пересечениях с различными трубопроводами;

• на участках трубопроводов, прокладываемых вблизи рек, каналов, озер, водохранилищ, а также населенных пунктов и предприятий.

Во всех остальных случаях  применяются защитные покрытия нормального  типа.

В зависимости от используемых материалов различают мастичные, полимерные и комбинированные покрытия.

Мастичные покрытия

К мастичным относятся покрытия на основе битумных и асфальтосмолистых мастик.

Конструкция битумных покрытий сложилась в результате их длительного  применения. Сначала идет слой грунтовки, получаемый при нанесении на трубу  раствора битума в бензине или  дизтопливе. Он заполняет все микронеровности на поверхности металла. Грунтовка служит для обеспечения более полного контакта, а следовательно, лучшей адгезии, между поверхностью металла и основным изоляционным слоем — битумной мастикой.

Битумные мастики представляют собой смесь тугоплавкого битума (изоляционного — БНИ-1У-3, БНИ-IV, БНИ-V; строительного — БН-70/30, БН-90/10), наполнителей (минеральных— асбеста, доломита, известняка, талька; органических — резиновой крошки; полимерных — атактического полипропилена, низкомолекулярного полиэтилена, полидиена) и пластификаторов (полиизобутилена, полидиена, масел соевых, масла зеленого, автола). Битумную мастику наносят на трубу при температуре 150... 180 °С. Расплавляя холодную грунтовку, мастика проникает во все микронеровности поверхности металла, обеспечивая хорошую адгезию изоляционного покрытия.

Покрытие «Асмол» создано на основе асфальтосмолистых материалов. Оно обладает более высокими физико-механическими свойствами (пластичность, вязкость, адгезия и др.), а также имеет более низкую стоимость по сравнению с битумной мастикой. Высокое значение коэффициента теплопроводности материалов на основе нефтеполимера «Асмол» (на порядок выше, чем у битумов) позволило разработать новую технологию нанесения земельных мастик на трубопроводы в трассовых условиях — путем их экструдирования. Асмольные мастики применимы и для нанесения в условиях трубоизоляционных баз без существенного изменения технологического процесса.

Для защиты слоя битумной мастики  она покрывается сверху защитной оберткой (стеклохолстом, бризолом, бикарулом, оберткой ПДБ и ПРДБ).

Изоляционные покрытия на основе битумных мастик применяются  при температуре транспортируемого  продукта не более 40 °С и на трубопроводах диаметром не более 820 мм.

Полимерные покрытия

Для защиты трубопроводов  применяют полимерные покрытия из следующих  материалов: