Классификация коррозионных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ НА БАКАЛАВРСКУЮ РАБОТУ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Классификация коррозионных процессов

1.2 Виды коррозионных разрушений

1.3 Причины и механизм коррозии трубопроводов

1.3.1 Влияние неоднородности состава металла

1.3.2 Влияние неоднородности условий на поверхности металла

1.3.3 Влияние состава среды

1.3.4 Механизм наведения блуждающих токов на подземные металлические сооружения и их разрушения

1.3.5 Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением

1.4 Классификация способов защиты трубопроводов от наружной коррозии

1.4.1 Защитные покрытия трубопроводов

1.4.2 Битумно-мастичные покрытия

1.4.3 Полимерные ленточные покрытия

1.4.4 Комбинированное мастично-ленточное покрытие

1.4.5 Заводские покрытия труб

1.4.6 Катодная защита подземных трубопроводов

1.4.7 Протекторная защита трубопроводов

1.4.8 Электродренажная защита трубопроводов

1.5 Коррозионные повреждения

1.5.1 Мониторинг технического состоянии трубопроводов, подверженных коррозии

1.6 Определение расчетной и отбраковочной толщины стенок труб

1.6.1 Расчет остаточного ресурса трубопровода по минимальной вероятной толщине стенок труб

1.6.2 Расчет остаточного ресурса трубопровода с учетом общего коррозионно-эррозионного износа стенок

2. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

2.1 Анализ опасностей и вредностей при производстве коррозионных работ

2.1.1 Производственный шум

2.1.2 Вибрация при защите от коррозии

2.1.3 Ультразвуковые колебания

2.1.4 Электроопасность

2.2 Предельно-допустимые концентрации токсичных веществ в воздухе рабочей зоны

2.3 Охрана атмосферного воздуха

2.3.1Организованные и неорганизованные источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на объекте

2.4 Охрана поверхностных и подземных вод

2.4.1 Сточные воды, масштабы образования. Направления переработки сточных вод на объекте

2.5 Отходы, образующиеся при производстве продукции

2.6 Охрана почв и недр

2.6.1 Мероприятия по снижению негативного воздействия объекта на окружающую среду

2.7 Список использованных источников

3. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Оценка экономической эффективности инвестиционных проектов

3.2 Показатели эффективности инвестиционных проектов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

коррозия трубопровод металлический



РЕФЕРАТ

Бакалаврская работа 94 л., 15 рисунков, 8 таблиц, 23 использованных источников.

Магистральный нефтепровод, коррозионное разрушение, изоляционные покрытия, анодное заземление, электродренажная защита, окисление металлов

Объектом исследования являются коррозионные явления на магистральных нефте- и газопроводах, оказывающие крайне негативное влияние на срок эксплуатации трубопроводов.

В процессе исследования выполнен анализ существующих методов защиты трубопроводов от коррозии.

Цель работы - изучение процесса коррозионного разрушения, а также методов и средств защиты нефтепроводов от коррозии.

Практическая значимость результатов работы состоит в составлении подробного описания существующих современных методов защиты трубопроводов от коррозии.



ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем, стоящих перед человечеством, является экономия природных ресурсов, поиски их заменителей. Поэтому особенно остро ощущаются убытки, приносимые коррозией. Основные потери от коррозии - преждевременный выход из строя металлоконструкций, стоимость изготовления которых значительно больше стоимости использованного металла. Вторая крупнейшая статья расхода - проведение комплекса мероприятий по борьбе с коррозией.

Трубопроводы в процессе эксплуатации подвергаются процессу коррозии.Коррозия металла труб происходит как снаружи под воздействием почвенного электролита (в почве всегда находится влага и растворённые в ней соли), так и внутри, вследствие примесей влаги, сероводорода и солей, содержащихся в транспортируемом углеводородном сырье. Коррозия трубопроводов наносит большой материальный и экономический ущерб. Она приводит к преждевременному износулинейной части трубопроводов, сокращает межремонтные сроки,вызывает дополнительные потери транспортируемого продукта.

В настоящее время при новом строительстве магистральных нефтепроводов, а также при проведении работ по переизоляции действующих трубопроводов для их противокоррозионной защиты применяются различные изоляционные материалы и конструкции защитных покрытий, начиная от битумно-мастичных трассового нанесения и заканчивая многослойными полимерными покрытиями заводского нанесения. Но при всем имеющемся многообразии защитных покрытий практически невозможно сделать выбор в пользу только одного универсального покрытия, которое бы отвечало всем предъявляемым требованиям и обеспечивало эффективную защиту трубопроводов от коррозии при различных условиях строительства и эксплуатации.

При проектировании и строительстве электрохимической защиты металлических сооружений от коррозии приходится решать комплекс задач, включающий определение коррозионной активности грунта и возможной скорости коррозии.

В технологическом разделе бакалаврской работы рассматриваются вопросы, связанные с коррозией магистральных трубопроводов, методы и средства их защиты от коррозии. В разделе приведены расчеты остаточного ресурса трубопровода по минимальной вероятной толщине стенок труб и остаточного ресурса трубопровода с учетом общего коррозионно-эрозионного износа стенок.

В разделе “Безопасность жизнедеятельности” проведен анализ опасностей и вредных факторов при защите нефтепроводов от коррозии.

В экологическом разделе рассмотрены вопросы по охране окружающей среды при работах по защите трубопроводов от коррозии, изучены организованные и неорганизованные выбросы загрязняющих веществ на объекте, рассчитаны объемы образовании некоторых отходов.

В экономическом разделе изучена оценка и показатели эффективности инвестиционных проектов.



1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Классификация коррозионных процессов

В современном нефтегазодобывающем комплексе существует множество различных материалов, из которых изготавливаются трубопроводы, но самыми распространенными по прежнему остаются углеродистые и низколегированные стали. Хоть они и достаточно надежны, но срок их службы напрямую зависит от степени защиты от разрушения при контакте с окружающей средой.

Коррозия (лат. "corrosion" - разрушать, разъедать) - разрушение твердых материалов на поверхности естественным образом под воздействием химических веществ окружающей среды, которые приводят к возникновению электрохимических процессов.Среда, в которой металл подвергается коррозии, называется коррозионной или агрессивной.

В процессе коррозии происходит окисление металлов. Образующиеся при этом химические соединения - оксиды металлов - являются более устойчивыми для большинства металлов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].На рисунке 1.1 показан общий вид трубопровода, подвергнувшегося коррозионному разрушению.

Рисунок 1.1 Общий вид коррозионного разрушения

По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия подчиняется основным законам чисто химической кинетики гетерогенных реакций и не сопровождается возникновением и протеканием электрического тока. При этом продукты коррозии образуются непосредственно на всем участке поверхности металла, находящемся в контакте с агрессивной средой. С химическим механизмом протекают следующие виды процесса коррозии:

газовая коррозия - окисление металла кислородом или другим газом при высокой температуре и полном отсутствии влаги на поверхности металлического изделия (например, коррозия лопаток газовых турбин на компрессорных станциях газопроводов, выхлопных коллекторов двигателей внутреннего сгорания);

коррозия в неэлектролитах - разрушение металла в жидких или газообразных агрессивных средах, обладающих малойэлектропроводностью (например, коррозия стали в бензине, бензоле, при контакте с серой при температуре выше 200 °С, коррозия внутренней поверхности трубопроводов и аппаратуры при перекачке высокосернистых сортов нефти).

В условиях магистральных трубопроводов наиболее распространена электрохимическая коррозия - окисление металлов в электропроводных средах, сопровождающееся образованием электрического тока.

Электрохимическая коррозия подчиняется законам электрохимической кинетики - это окисление металла в электропроводных средах, сопровождающееся образованием и протеканием электрического тока. При этом взаимодействие металла с окружающей средой характеризуется и катодным, и анодным процессами, протекающими на различных участках поверхности металла. Продукты коррозии образуются только на анодных участках. С электрохимическим механизмом протекают следующие виды процессов коррозии:

коррозия в электролитах - коррозия металлов в жидких средах, проводящих электрический ток; в зависимости от электролита различают коррозию в морской или речной воде, растворах кислот, щелочей и солей (кислотная, щелочная и солевая коррозия);

подземная коррозия - разрушение подземных металлических сооружений под воздействием грунтового электролита;обусловлена тремя факторами: коррозионной агрессивностью почв и грунтов (почвенная коррозия), действием блуждающих токов и жизнедеятельностью микроорганизмов. Коррозионная агрессивность почв и грунтов определяется их структурой, грану-лометрич. составом, уд. электрич. сопротивлением, влажностью, воздухопроницаемостью, рН и др.;

электрокоррозия - разрушение металлического подземного сооружения, вызванное блуждающими токами (проникновение и сток с сооружения токов утечки с рельсов электрифицированного транспорта или других электроустановок, имеющих заземление), или под воздействием тока от внешнего источника;

атмосферная коррозия - разрушение металлов в атмосфере воздуха или среде любого влажного газа;

контактная коррозия - коррозия, вызванная электрическим контактом двух металлов, имеющих различный электрохимический потенциал (например, в наконечнике электрического кабеля с металлами интенсивно разрушается алюминий в месте контакта; даже на удалении от него наблюдается язвенная коррозия).

Классификация коррозионных процессов приведена на рисунке 1.2

Особо следует отметить биокоррозию металлов -- частный случай подземной коррозии, протекающей под воздействием микроорганизмов, в результате жизне-деятельности которых образуются вещества, ускоряющие коррозионные процессы.

Помимо перечисленных видов возможна также коррозия под напряжением, возникающая при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений в металле (если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла, что очень опасно, особенно для конструкции трубопроводов, испытывающих механические нагрузки).

Рисунок 1.2 Классификация коррозионных процессов

1.2 Виды коррозионных разрушений

Процесс коррозии начинается с поверхности металла и распространяется вглубь него. При этом изменяется внешний вид металла: на его поверхности образуются углубления (язвы, пятна), заполненные продуктами коррозии. По характеру коррозионного разрушения металлов различают следующие виды коррозии:

сплошную - разрушение металла по всей поверхности трубопровода, находящегося под воздействием коррозионной среды ;

местную - разрушение металла на отдельных участках поверхности трубопровода.

Все виды коррозии можно разделить на две основные группыпо расположению:

а) коррозия внутренней поверхности трубопроводов (контактирование с рабочими средами).

Сплошная коррозия может быть: равномерной, протекающей с одинаковой скоростью по всей поверхности металлической конструкции (коррозия углеродистой стали в электролитах, атмосферная); неравномерной, протекающей с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (коррозия углеродистой стали в морской воде, электролитах и т. д.).

б) коррозия с внешней поверхности (контактирование с окружающей средой).

Местную коррозию подразделяют на следующие виды.

Пятнами - в виде отдельных пятен, диаметр которых больше глубины прокорродировавшего слоя металла.

Язвенная- в виде отдельных каверн, диаметр которых несколько больше или равен их глубине (коррозия углеродистой стали в грунте).

Питтинговая - в виде множества отдельных точек диаметром 0,1 - 2 мм значительной глубины. Питтинговая или язвенная коррозия часто переходит в сквозную, при которой сооружение может быть выведено из эксплуатации.

Подповерхностная начинающаяся с поверхности, но распространяющаяся преимущественно под поверхностью металла и часто вызывающая вспучивание металла и его расслоение.

Структурно-избирательная при которой разрушается только одна структурная составляющая сплава или один компонент сплава.

Межкристаллитная распространяющаяся по границам кристаллов металла (этот вид коррозии, не изменяя внешний вид поверхности металла, приводит к быстрой потере прочности и пластичности).

Коррозионное растрескивание под напряжением (стресс коррозия)-образование коррозионных трещин вследствие усталости металла под действием постоянных растягивающих напряжений. Наиболее опасно для трубопроводов, находящихся под нагрузкой (газопроводы).

Нитевидная коррозия - в виде нитей под защитными покрытиями.

Ножевая коррозия - в виде надреза ножом в зоне сварки.

Особенностью процессов местной коррозии является поражение ими малых, точечных участков поверхности трубопроводов, скорость растворения металла в которых существенно превышает скорость растворения основной поверхности. Скорость проникновения очагов местной коррозии вглубь металла может достигать нескольких мм/год. Большинство процессов местной коррозии носит вероятностный характер.

Местные коррозионные процессы проходят в три стадии:

начальная стадия зарождения, соответствующая нарушению равномерного протекания коррозии и переходу процесса к стационарному развитию очагов локальной коррозии; стадия имеет достаточно высокую продолжительность и называется индукционным периодом;

основная стадия устойчивого развития очага местной коррозии, в течение которой происходит быстрое разрушение локально активированных участков металла;

завершающая стадия развития - репассивация очагов местной коррозии.

В процессе развития местных коррозионных процессов часто происходит переход одного вида в другой. Например, питтинговая коррозия может быть начальной стадией развития язвенной, межкристаллитной и щелевой коррозии, а также ряда коррозионно-механических повреждений при коррозионно-усталостных процессах или при статической коррозии под напряжением. Вид коррозии, подобный питтинговой, развивается в местах несплошности и отслоения покрытий различного типа.

Проведенные фирмой "Dupont" статистические исследования типов и видов коррозии показали, что они распределяются следующими способами, указанными в таблице 1.1

Таблица 1.1 Статистические данные по встречающимся видам коррозии (в %)

Вид коррозии	Количество
равномерная коррозия под напряжением язвенная межкристаллитная коррозионная эрозия избирательная газовая (высокотемпературная) щелевая коррозионная усталость контактная	31,5 21,6 15,7 11,5 9,0 2,4 4,5 1,8 1,9 0,1

Эти данные наглядно характеризуют значение отдельных видов коррозии. Следует отметить, что встречается много случаев, когда коррозионное разрушение имеет характерные черты двух или нескольких видов, а иногда и типов коррозии. Поэтому указанное статистическое соотношение можно считать приблизительным.

Наиболее опасными видами коррозионных разрушений для трубопроводов являются коррозионное растрескивание, язвенная и питтинговая коррозия. Эти виды коррозии очень трудно обнаружить из-за малых размеров язв и их заполнения продуктами коррозии. В результате такой коррозии сквозные проржавления стенок трубопроводов наблюдаются уже на третьем году их эксплуатации и обнаруживаются только в момент аварии. Аварийное разрушение металла трубопроводов часто объясняется тем, что около каверн и питтингов происходит концентрация местных напряжений[8].

1.3 Причины и механизм коррозии трубопроводов

Основной причиной коррозии металла трубопроводов является термодинамическая неустойчивость металлов. Именно поэтому подавляющее большинство металлов в земной коре находится в связанном состоянии в виде окислов, солей и других соединений. Согласно второму закону термодинамики, любая система стремится перейти из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией.

Энергия, которой обладают вещества, называется химической энергией.

Она создается движением электронов на электронных орбитах атомов и молекул. При определенных условиях химическая энергия может превращаться в другие виды энергии, совершать работу (например, работу образования химических соединений).

Применительно к веществам 2-й закон термодинамики звучит так: самопроизвольно совершаются только такие химические превращения, в результате которых образуются вещества с меньшей химической энергией. Практически для всех металлов (кроме золота) при образовании окислов, солей и т. д. это правило выполняется. Поэтому окисление металлов, т. е. их коррозия, в естественных условиях процесс неизбежный.

1.3.1 Влияние неоднородности состава металла

Для строительства трубопроводов применяют малоуглеродистые и низколегированные стали. Кроме железа они содержат углерод (до 2 %), легирующие примеси (хром, никель, марганец, медь) и примеси, которые невозможно полностью удалить в металлургическом процессе (сера, фосфор, кислород, азот, водород). Неоднородный состав сталей благоприятствует возникновению коррозионных пар в соответствующей среде.

1.3.2 Влияние неоднородности условий на поверхности металла

Для возникновения тока при электрохимической коррозии металла необходимо наличие катодной и анодной зон. В анодной зоне протекает реакция окисления, заключающаяся в потере металлом своих электронов и образовании ион-атомов:

Me>Меn+ +n·з.

Переходя в раствор электролита, ион-атомы металла вызывают его постепенное разрушение - коррозию.

В катодной зоне протекает реакция восстановления - присоединения свободных электронов каким-либо веществом, называемым деполяризатором.

Если роль деполяризатора играют ионы водорода 2Н+ + 2з> 2Н > Н2, то такая реакция называется реакцией водородной деполяризации. Если же деполяризатором выступает кислород:

O2+ 4Н+ + 4з > 2Н20 - в кислой среде;

O2+ 2Н20 + 4з>4(OН) - в щелочной среде,

то такая реакция называется реакцией кислородной деполяризации.

Из рассмотрения механизма электрохимической коррозии следует, что интенсивность процесса зависит от скорости образования ион-атомов металла (и свободных электронов), а также наличия кислорода и воды. Учитывая, что на скорость образования ион-атомов влияет температура, концентрация раствора электролита и другие внешние условия, можно сделать заключение, что если на поверхности одного и того же металла создать различные условия, то одна часть его поверхности станет анодом по отношению к другой.

1.3.3 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 [10].

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.

1.3.4 Механизм наведения блуждающих токовна 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.

1.3.5 Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) (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 вАвстралии, 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 Ростехнадзора, КРН является главной причиной разрушения линейной части магистральных газопроводов.

Внешне КРН выглядит как группы трещин, ориентированных преимущественно вдоль оси трубы (рисунок 1.3). 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».

Рисунок 1.3 Коррозионное растрескивание под напряжением

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:

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

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

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

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

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

Подводя итоги вышесказанному, можно сделать 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.

1.4 Классификация способов защиты трубопроводов от наружной коррозии

Срок службы металлических конструкций и стальных трубопроводов в естественных условиях окружающей среды часто из-за необратимых процессов коррозии относительно короткий. Продлить его можно широко используемыми в практике мероприятиями по увеличению коррозионной надежности трубопроводов. К ним относят использование коррозионно-стойких труб, а также три известных способа защиты трубопроводов от коррозии:

изоляция поверхности сооружения от контакта с внешней агрессивной средой (пассивная защита);

воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности;

применение электрохимической защиты подземных металлических сооружений (активная защита).

Классификация способов защиты трубопроводов от коррозии представлена на рисунке 1.4



Рисунок 1.4 Классификация способов защиты трубопроводов от коррозии

Первый способ носит название пассивной защиты. В нем предусматривают:

а)нанесение на поверхность металла слоя химически инертного относительно металла и окружающей агрессивной среды вещества с высокими диэлектрическими свойствами. В качестве защитных материалов применяют различного рода полимерные мастичные материалы, краски, лаки, эмали и т.д. Эти материалы образуют твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезией) с поверхностью защищаемого металла. Применение защитного слоя на металлических объектах - наиболее распространенный метод. В некоторых случаях на изделия из углеродистых и низколегированных сталей наносят тонкий слой другого металла, обладающего меньшей скоростью коррозии в данной среде (например, цинкование, хромирование или никелирование стальных изделий);

б) специальные методы укладки, часто применяемые для защиты подземных сооружений на территории городов и промышленных площадок, например коллекторную прокладку, при которой подземные трубопроводы размещают в специальных каналах. Изолирующим слоем в данном случае является воздушный зазор между стенкой трубопровода и каналом.

Второй способ защиты трубопроводов от коррозии - это снижение агрессивности окружающей среды. Существует несколько методов, в первом из них, получившем наибольшее распространение, предусматривают дезактивационную обработку агрессивной среды введением ингибиторов (замедлителей) коррозии. Согласно стандарту ISO 8044 ингибиторами коррозии называют соединения, которые присутствуя в коррозионной системе в достаточной концентрации, уменьшают скорость коррозии без значительного изменения концентрации любого коррозионного реагента. Действие ингибиторов сводится в основном к адсорбции на поверхности металла молекул или ионов ингибитора, тормозящих коррозию. К этому способу можно отнести и удаление агрессивных компонентов из состава коррозионной среды.

Целью деаэрации электролита почвы является снижение концентрации растворенного кислорода воздуха как агрессивного реагента, участвующего в катодной и анодной реакциях, протекающих в режиме истинной кинетики.

Уменьшение опасности биокоррозии достигается путем добавления в засыпаемый грунт различных ядохимикатов (например, наиболее дешевым материалом является известь). При высоких значениях рН прекращается рост сульфатвосстанавливающих бактерий. Поэтому используют специальные засыпки, создающие высокие значения рН вокруг трубы.

Гидрофобизация грунтов обеспечивает защиту изоляции трубопровода от механических повреждений, вредного воздействия окружающей среды и замедляет процесс ее старения. Под термином "гидрофобизированные" (ГФГ) подразумеваются грунты, обработанные вяжущими продуктами и имеющие повышенную водостойкость, водонепроницаемость, низкую коррозионную активность и воздухопроницаемость [7].

Замену грунта на менее агрессивный осуществляют с целью уменьшения коррозионной активности грунта, т. е. улучшения его физико-механических свойств. С этой же целью производят нейтрализацию грунта кислотами и щелочами.

Третий способ носит название активной защиты. Сюда относят:

а) постоянную катодную поляризацию металлического сооружения, эксплуатирующегося в среде с достаточно большой электропроводностью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической энергии, носит название катодной защиты. В некоторых случаях катодную поляризацию производить не постоянно, а периодически, что дает ощутимый экономический эффект. При катодной защите изделию придают настолькоотрицательный электрический потенциал, что оно становится катодом и разрушение металла термодинамически невозможно;

б)протекторную защиту, которая основана на катодной поляризации, вызванной электрическим контактом сооружения с металлом, обладающим более отрицательным электродным потенциалом, например, стального сооружения с отливками из магниевых сплавов. Более электроотрицательный металл (магний) в среде с достаточно высокой электропроводностью подвергается разрушению и его следует периодически возобновлять. Такой металл называется протектором, а метод - протекторной защитой (от латинского"protector" - защитник);

в) электродренажную защиту, к этому методу можно отнести мероприятия по борьбе с блуждающими токами, которые осуществляют по двум основным направлениям: предупреждение или уменьшение возможности возникновения блуждающих токов на самом источнике тока и проведение специальных работ на защищаемом подземном сооружении по отводу блуждающих токов. Мероприятия первого направления - обязательная, но только начальная мера. Независимо от этого вида работ обязательно производят защиту самих подземных сооружений: размещение установок дренажной защиты (УДЗ), устройство электрических экранов, установку изолирующих фланцев на трубопроводах.

К мероприятиям по увеличению надежности трубопроводов можно отнести применение коррозионно-стойких труб, которое осуществляют введением в металл компонентов, повышающих его коррозионную стойкость в данных условиях, или удалением вредных примесей, ускоряющих коррозию. Данный способ применяется на стадии изготовления металла, а также при термической и механической обработке металлических деталей. Во многих случаях легирование металла, мало склонного к пассивации, металлом, легко пассивируемым в данной среде, приводит к образованию сплава, обладающего той же (или почти той же) пассивируемостью, что и легирующий металл. Таким путем получены многочисленные коррозионно-стойкие сплавы, например нержавеющие стали, легированные хромом и никелем. Однако широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов. Сюда же можно отнести использование труб из титановых и алюминиевых сплавов, а также труб из неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (полимеры, асбоцемент, бетон, керамика, стеклопластики и т. д.) [11].

Основными направлениями совершенствования борьбы с коррозией являются:

применение новых конструкций и способов нанесения изоляционных покрытий;

применение различных технологических мероприятий;

использование ингибиторов;

использование высокоэффективных и экономичных труб;

создание надежных методов обследования действующих трубопроводов без нарушения режима их работы.

1.4.1 Защитные покрытия трубопроводов

История применения защитных покрытий трубопроводов насчитывает более 100 лет, однако до сих пор не все вопросы в этой области благополучно решены. С одной стороны, постоянно повышается качество защитных покрытий трубопроводов, практически каждые 10 лет появляются новые изоляционные материалы, новые технологии и оборудование для нанесения покрытий на трубы в заводских и трассовых условиях. С другой стороны, становятся все более жесткими условия строительства и эксплуатации трубопроводов (строительство трубопроводов в условиях Крайнего Севера, в Западной Сибири, освоение морских месторождений нефти и газа, глубоководная прокладка, строительство участков трубопроводов методами “наклонно-направленного бурения”, “микротоннелирования ”, эксплуатация трубопроводов при температурах до 100 єС и выше, и др.).

В настоящее время при новом строительстве магистральных нефтепроводов, а также при проведении работ по переизоляции действующих трубопроводов для их противокоррозионной защиты применяются различные изоляционные материалы и конструкции защитных покрытий, начиная от битумно-мастичных трассового нанесения и заканчивая многослойными полимерными покрытиями заводского нанесения.

Но при всем имеющемся многообразии защитных покрытий практически невозможно сделать выбор в пользу только одного универсального покрытия, которое бы отвечало всем предъявляемым требованиям и обеспечивало эффективную защиту трубопроводов от коррозии при различных условиях строительства и эксплуатации.

Изоляционные покрытия, применяемые на подземных магистральных 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 температурах);

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.

Рассмотрим основные типы современных антикоррозионных покрытий трубопроводов заводского и трассового нанесения, их преимущества, недостатки, область применения.

Антикоррозионные покрытия трубопроводов трассового нанесения.

Для изоляции трубопроводов в трассовых условиях в настоящее время наиболее широко применяют три типа защитных покрытий:

- битумно-мастичные покрытия;

- полимерные ленточные покрытия;

- комбинированные мастично-ленточные покрытия (покрытия типа "Пластобит").

1.4.2 Битумно-мастичные покрытия

На протяжении многих десятилетий битумно-мастичное покрытие являлось основным типом наружного защитного покрытия отечественных трубопроводов. К преимуществам битумно-мастичных покрытий следует отнести их дешевизну, большой опыт применения, достаточно простую технологию нанесения в заводских и трассовых условиях. Битумные покрытия проницаемы для токов электрозащиты, хорошо работают совместно со средствами электрохимической защиты. В соответствии с требованиями [22] конструкция битумно-мастичного покрытия состоит из слоя битумной или битумно-полимерной грунтовки (раствор битума в бензине), двух или трех слоев битумной мастики, между которыми находится армирующий материал (стеклохолст или стеклосетка) и наружного слоя из защитной обертки.

Грунтовка служит для обеспечения более полного контакта, а, следовательно, лучшей адгезии, между поверхностью металла и основным изоляционным слоем с битумной мастикой.

В качестве изоляционных мастик для нанесения битумно-мастичных покрытий применяются: битумно-резиновые мастики, битумно-полимерные мастики (с добавками полиэтилена, атактического полипропилена), битумные мастики с добавками термоэластопластов, мастики на основе асфальтосмолистых соединений типа "Асмол". В последние годы появился целый ряд битумных мастик нового поколения, обладающих повышенными показателями свойств.

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.

Для защиты слоя битумной мастики она покрывается сверху защитной оберткой.

В качестве защитной обертки ранее использовались оберточные материалы на битумно-каучуковой основе типа "бризол", "гидроизол" и др. или крафт-бумага. В настоящее время применяют преимущественно полимерные защитные покрытия толщиной не менее 0,5 мм, грунтовку битумную или битумно-полимерную, слой мастики битумной или битумно-полимерной, слой армирующего материала (стеклохолст или стеклосетка), второй слой изоляционной мастики, второй слой армирующего материала, наружный слой защитной полимерной обертки. Общая толщина битумно-мастичного покрытия усиленного типа составляет не менее 6,0 мм, а для покрытия трассового нанесения нормального типа - не менее 4,0 мм.

В качестве изоляционных мастик для нанесения битумно-мастичных покрытий применяются:

битумно-резиновые мастики, битумно-полимерные мастики (с добавками полиэтилена, атактического полипропилена), битумные мастики с добавками термоэластопластов, мастики на основе асфальтосмолистых соединений типа "Асмол".

В последние годы появился целый ряд битумных мастик нового поколения, обладающих повышенными показателями свойств.

Сведения о конструкциях покрытий на основе битумных мастик приведены в таблице 1.2.

При выборе типа и конструкции изоляционного покрытия исходят из следующих рекомендаций.

Таблица 1.2 Конструкции битумных изоляционных покрытий

Тип изоляции	Конструкция покрытия	Общая толщина, мм
Нормальный	Грунтовка, мастика (4 мм), стеклохолст (1 слой), защитная обертка	4,0
Усиленный	Грунтовка, мастика (6 мм), стеклохолст (1 слой), защитная обертка	6,0
Усиленный	Грунтовка, мастика (3 мм), стеклохолст (1 слой), мастика (3 мм), стеклохолст (1 слой), защитная обертка	6,0

Независимо от величины удельного электросопротивления грунтов усиленный тип изоляции применяется при прокладке трубопроводов диаметром 1020 мм и более и на всех трубопроводах при прокладке их:

южнее 50-й параллели северной широты;

в засоленных, заболоченных и поливных почвах любого района страны;

на подводных переходах и в поймах рек, а также переходах через железные и автомобильные дороги, включая примыкающие участки на расстоянии по 20 м от насыпей;

на территориях перекачивающих станций, включая примыкающие к ним участки трубопроводов по 250 м;

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

на участках, где имеются блуждающие токи;

на участках нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, прокладываемых параллельно рекам, каналам, озерам, а также у населенных пунктов и промышленных предприятий; включая примыкающие участки длиной 1000 м. Основными недостатками битумно-мастичных покрытий являются: узкий температурный диапазонприменения (от минус 10 до плюс 40 °С). Срок службы битумных покрытий ограничен и, как правило, непревышает 10 - 15 лет.Рекомендуемая область применения битумно-мастичных покрытий - защитаоткоррозии трубопроводов малых и средних диаметров, работающих при нормальных температурах эксплуатации. В соответствии с требованиями [22] применение битумных покрытий ограничивается диаметрами трубопроводов не более 820 мм и температурой эксплуатации не выше плюс 40 °С.

1.4.3 Полимерные ленточные покрытия

Полимерные ленточные покрытия за рубежом стали применяться в начале 60-х гг. прошлого века. В нашей стране пик применения полимерных ленточных покрытий пришелся на 70-80 гг., на период строительства целой сети протяженных магистральных газопроводов. К настоящему времени на долю полимерных ленточных покрытий на российских газопроводах приходится до 60-65% от их общей протяженности.

Конструкция полимерного ленточного покрытия трассового нанесения в соответствии с ГОСТ Р 51164-98 состоит из слоя адгезионной грунтовки, 1 слоя полимерной изоляционной ленты толщиной не менее 0,6 мм и 1 слоя защитной полимерной обертки толщиной не менее 0,6 мм. Общая толщина покрытия - не менее 1,2 мм.

При заводской изоляции труб количество слоев изоляционной ленты и обертки увеличивается. При этом общая толщина покрытия должна составлять: не менее 1,2 мм - для труб диаметром до 273 мм, не менее 1,8 мм - для труб диаметром до 530 мм и не менее 2,4 мм - для труб диаметром до 820 мм включительно.

Начиная с 1 июля 1999 г., после введения в действие [22], применение липких полимерных лент при трассовой изоляции газопроводов ограничено диаметрами труб не выше 820 мм и температурой эксплуатации не выше плюс 40 °С. Для нефте- и нефтепродуктопроводов допускается применять ленточные покрытия трассового нанесения при изоляции труб диаметром до 1420 мм, но при этом общая толщина покрытия должна составлять не менее 1,8 мм (наносятся 2 слоя полимерной ленты и 1 слой защитной обертки).

В системе полимерного ленточного покрытия функции изоляционной ленты и защитной обертки различные. Изоляционная лента обеспечивает адгезию покрытия к стали (не менее 2 кг/см ширины), стойкость к катодному отслаиванию, выполняет функции защитного барьера, препятствующего проникновению к поверхности труб воды, почвенного электролита, кислорода, т.е. коррозионноактивных агентов. Защитная обертка служит в основном для повышения механической, ударной прочности покрытия. Она предохраняет ленточное покрытие от повреждений при укладке трубопровода в траншею и засыпке его грунтом, а также при усадке грунта и технологических подвижках трубопровода.

Полимерные ленты и защитные обертки поставляются комплектно с адгезионной грунтовкой (праймером) заводского изготовления.

Для наружной изоляции трубопроводов в настоящее время применяются в основном отечественные изоляционные материалы производства ОАО "Трубоизоляция", (г. Новокуйбышевск, Самарской область): адгезионные грунтовки типа "П-001", "НК-50", полимерные ленты типа "НК ПЭЛ-45", "НКПЭЛ-63", "Полилен", "ЛДП", защитная обертка "Полилен О". Основными зарубежными поставщиками изоляционных материалов для нанесения полимерного ленточного покрытия являются фирмы: "Polyken Pipeline Coating Systems" (США), "Altene" (Италия), "Nitto Denko Corporation", "Furukawa Electric" (Япония).

К преимуществам ленточных покрытий следует отнести: высокую технологичность их нанесения на трубы в заводских и трассовых условиях, хорошие диэлектрические характеристики, низкую влагокислородо-проницаемость и достаточно широкий температурный диапазон применения.

Основными недостатками полимерных ленточных покрытий являются: низкая устойчивость к сдвигу под воздействием осадки грунта, недостаточно высокая ударная прочность покрытий, экранировка ЭХЗ, низкая биостойкость адгезионного подслоя покрытия.

Опыт эксплуатации отечественных газонефтепроводов показал, что срок службы полимерных ленточных покрытий на трубопроводах диаметром 1020 мм и выше составляет от 7 до 15 лет, что в 2-4 раза меньше нормативного срока амортизации магистральных трубопроводов (не менее 33 лет).

В настоящее время в ОАО "Газпром" проводятся масштабные работы по ремонту и переизоляции трубопроводов с наружными полимерными ленточными покрытиями после 20-30 лет их эксплуатации.

1.4.4 Комбинированное мастично-ленточное покрытие

У российских нефтяников большой популярностью пользуется комбинированное мастично-ленточное покрытие типа "Пластобит". Конструктивно покрытие состоит из слоя адгезионного праймера, слоя изоляционной мастики на основе битума или асфальтосмолистых соединений, слоя изоляционной полимерной ленты толщиной не менее 0,4 мм и слоя полимерной защитной обертки толщиной не менее 0,5 мм. Общая толщина комбинированного мастично-ленточного покрытия составляет не менее 4,0 мм.

При нанесении изоляционной битумной мастики в зимнее время ее, как правило, пластифицируют, вводят добавки специальных масел, которые предотвращают охрупчивание мастики при отрицательных температурах окружающей среды. Битумная мастика, наносимая по праймеру, обеспечивает адгезию покрытия к стали, и является основным изоляционным слоем покрытия. Полимерная лента и защитная обертка повышают механические характеристики и ударную прочность покрытия, обеспечивают равномерное распределение изоляционного мастичного слоя по периметру и длине трубопровода.

Практическое применение комбинированных покрытий типа "Пластобит" подтвердило их достаточно высокие защитные и эксплуатационные характеристики. Данный тип покрытия в настоящее время наиболее часто применяют при проведении работ по ремонту и переизоляции действующих нефтепроводов, имеющих битумные покрытия. При этом в конструкции битумно-ленточного покрытия применяют преимущественно полиэтиленовые термоусаживающиеся ленты, обладающие повышенной теплостойкостью и высокими механическими характеристиками, а в качестве изоляционных мастик используют специальные модифицированные битумные мастики нового поколения.

Основные недостатки комбинированного мастично-ленточного покрытия те же, что и у битумно-мастичных покрытий - недостаточно широкий температурный диапазон применения (от минус 10 до плюс 40 °С) и недостаточно высокие физико-механические показатели свойств (ударная прочность, стойкость к продавливанию и др.).

Нанесение защитных битумно-мастичных и полимерных ленточных покрытий в трассовых условиях осуществляется после сварки труб и контроля сварных стыков. Для нанесения покрытий используются передвижные механизированные колонны, включающие: трубоукладчики и навесное технологическое оборудование (очистные и изоляционные машины, комбайны и т.д.), перемещающееся по сваренному в "нитку" трубопроводу и выполняющее операции по щеточной очистке, праймированию поверхности труб, нанесению на них защитного покрытия (рисунок 1.5). При выполнении работ в зимнее время в состав оборудования дополнительно вводится передвижная печь для нагрева и сушки труб.

Рисунок 1.5 Нанесение изоляционного покрытия на магистральный трубопровод в трассовых условиях

При нанесении битумных покрытий в составе механизированных колонн используются также битумно-плавильные котлы и специальные изоляционные машины. До нанесения покрытий производится очистка труб от грязи, ржавчины, рыхлой окалины. Для очистки поверхности труб применяются скребки, механические щетки и иглофрезы. Праймирование труб осуществляется посредством полива на поверхность труб дозированного количества адгезионного праймера с последующим его растиранием брезентовым полотенцем. На праймированные трубы с использованием изоляционной машины наносится слой горячей битумной мастики, после чего осуществляется нанесение на трубы армирующего материала (стеклохолст), второго слоя битумной мастики и слоя наружной защитной обертки. Ленточные покрытия наносятся на поверхность трубопроводов посредством спиральной намотки на праймированные трубы слоя изоляционной ленты и слоя защитной обертки, с заданным усилием натяжения и величиной нахлеста.

Практический опыт показал, что, несмотря на достаточно высокую степень механизации изоляционных работ в трассовых условиях, данный способ изоляции не обеспечивает качественного нанесения на трубы защитных покрытий. Это обусловлено влиянием погодных условий, отсутствием средств и методов пооперационного технологического контроля, а также недостаточно высокими механическими и защитными свойствами битумных и ленточных покрытий.

Перенос процесса наружной изоляции труб из трассовых условий в заводские или базовые условия не только позволил ускорить темпы строительства трубопроводов, но и в значительной степени повысить качество и надежность их противокоррозионной защиты. При заводской изоляции труб на качество работ не влияют погодные условия, проводится последовательный пооперационный технологический контроль. Кроме того, при изоляции труб в заводских условиях появляется возможность использовать современные изоляционные материалы и технологии их нанесения, которые невозможно реализовать при трассовой изоляции трубопроводов.

1.4.5 Заводские покрытия труб

На сегодняшний день при строительстве магистральных нефтепроводов практически не применяются полимерные ленточные и битумно-мастичные покрытия трассового нанесения. Данные типы защитных покрытий используются лишь при проведении работ по ремонту и переизоляции нефтепроводов. Новое строительство магистральных трубопроводов осуществляется с применением труб, фасонных соединительных деталей и задвижек трубопроводов, имеющих заводские покрытия на основе современных полимерных материалов. В трассовых условиях осуществляется только изоляция зоны сварных стыков трубопроводов покрытиями на основе термоусаживающихся полимерных лент. Конструктивно такое защитное покрытие, наносимое по жидкому двухкомпонентному эпоксидному праймеру, аналогично заводскому полиэтиленовому покрытию и обладает достаточно высокими защитными эксплуатационными свойствами.

Для наружной изоляции трубопроводов наиболее часто применяются следующие типы заводских покрытий:

а) эпоксидное;

б) полиэтиленовое;

в) полипропиленовое;

г) комбинированное ленточно-полиэтиленовое.

Данные типы покрытий отвечают современным техническим требованиям и обеспечивают долговременную, эффективную защиту трубопроводов от почвенной коррозии.

В разных странах отдается предпочтение различным типам заводских покрытий. В США, Англии, Канаде наиболее популярны эпоксидные покрытия труб, в Европе, Японии и России предпочтение отдается заводским покрытиям на основе экструдированного полиэтилена. Для изоляции морских трубопроводов и "горячих" (80-110 °С) участков трубопроводов применяются, как правило, полипропиленовые покрытия. Комбинированные ленточно-полиэтиленовые покрытия используются в основном для изоляции труб малых и средних диаметров с температурой эксплуатации до плюс 40 °С.

Впервые однослойные полиэтиленовые покрытия труб на основе порошкового полиэтилена стали применяться в конце 50-х - начале 60-х гг. прошлого века. Технология нанесения однослойного полиэтиленового покрытия аналогична технологии нанесения покрытий из порошковых эпоксидных красок. Из-за низкой водостойкости адгезии и стойкости к катодному отслаиванию однослойные полиэтиленовые покрытия не получили достаточно широкого применения. Им на смену пришли двухслойные покрытия с "мягким" адгезионным подслоем. В конструкции такого покрытия в качестве адгезионного слоя применялись изоляционные битумно-каучуковые мастики ("мягкие" адгезивы) толщиной 150-300 мкм, наносимые по слою праймера, а в качестве наружного ударопрочного слоя использовался экструдированный полиэтилен толщиной не менее 2,0-3,0 мм.

После того как фирмой "BASF" (Германия) был разработан сополимер этилена и эфира акриловой кислоты ("Lucalen"), который впервые был опробован в конструкции заводского полиэтиленового покрытия труб в качестве термоплавкого полимерного клеевого подслоя, в практику строительства трубопроводов было внедрено двухслойное полиэтиленовое покрытие с "жестким" адгезионным подслоем. Позднее был разработан еще целый ряд термоплавких клеевых композиций на основе сополимеров этилена и винилацетата, этилена и акрилата. Двухслойные полиэтиленовые покрытия получили очень широкое применение и на долгие годы стали основными заводскими покрытиями труб.