Развитие научных основ, разработка и реализация новых критериев эффективности электрохимической защиты трубопроводов от коррозии

А) Б) В)

Рис. 10. Три этапа роста стресс-коррозионных трещин на внешней КЗП трубопроводов: А - образование «водородного надреза» на поверхности катода, служащая началом трещинообразования; х 120 по Ю.А. Теплинскому с сотр.; Б - смена водородного механизма образования стресс-коррозионных трещин на механизм их активного анодного растворения по Конаковой М.А. с сотр.; В - дальнейший рост водородной трещины со стороны наружной КЗП трубы при неконтролируемой плотности тока катодной защиты

Когда или когда , происходит смена водородного механизма образования стресс-коррозионных трещин на механизм их активного анодного растворения, При этом анодный процесс сосредоточен, прежде всего, в области трещины КРН, у ее вершины. Потенциал коррозии стенки трубопровода в местах образования «водородного надреза» при перерывах в работе средств ЭХЗ всегда более отрицателен, чем потенциал стенки трубы не подверженной стресс-коррозионному разрушению, так как стенка трубы в местах водородного надреза более напряжена. Поэтому стенка трубы с водородным надрезом при перерывах в работе средств ЭХЗ всегда является анодом по отношению к близлежащей поверхности, свободной от повреждений (концентраторов напряжений). Анализ работы средств ЭХЗ на линейной части магистральных нефте- газопроводов свидетельствует о том, что перерывы в их работе достигают 30% и более от общей продолжительности эксплуатации магистрального трубопровода. Действительно, например, в грунтах таежно-болотного региона центральной части Западной Сибири скорость коррозии практически никогда не превышает 0,08…0,15 мм/год. При такой скорости коррозии максимальная глубина проникновения коррозии за 36 лет эксплуатации, при плановом простое СКЗ 1,15 лет (в соответствии ГОСТ Р 51164-98, п. 5.2), не превысит 0,1…0,17 мм. Это 0,83…1,4% от номинальной толщины стенки трубопровода. Результаты внутритрубной диагностики свидетельствуют о том, что максимальный коррозионный износ стенки трубопровода со стороны внешней КЗП превысил 15% от номинальной толщины стенки трубы. Максимальная глубина проникновения коррозии достигала 1,97 мм. Под защитным потенциалом (с омической составляющей) минус 1,2 В по м.э.с., когда плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока кислорода в 12 раз, остаточная скорость коррозии не превышает 0,007 мм/год. За 36 лет эксплуатации трубопровода, с учетом нормативного простоя средств ЭХЗ глубина проникновения коррозии не превысила бы 0,41 мм. Реальная глубина проникновения коррозии, как было уже сказано, 1,97 мм. На основе имеющихся данных нетрудно рассчитать время, в течение которого электрохимическая защита в течение всего периода эксплуатации трубопровода не обеспечивала подавление скорости почвенной коррозии до допустимых значений : Т=(1,97 - 0,41) мм/0,15 мм/год = 10,4 лет. При повторных включениях катодной защиты, при неконтролируемой плотности тока катодной защиты, когда , при одновременном дополнительном воздействии кольцевых растягивающих напряжений, происходит дальнейший рост стресс-коррозионной трещины по водородному механизму. Рис. 10 - В. Рассмотренные факты указывают на необходимость при выборе потенциалов катодной защиты напряженно-деформированных подземных трубопроводов дополнительно определять величину безразмерного критерия . Дополнительные электрохимические измерения позволят исключить или свести к минимуму образование коррозионных дефектов, когда , и предотвратить образование стресс-коррозионных дефектов, когда . При коррозионный процесс подавляется до значений 0,005…0,007 мм/год при практическом отсутствии электролитического наводороживания стенки трубопровода, что дает основание рекомендовать этот критерий для практической реализации.

В седьмой главе рассмотрены проблемы, касающиеся инкубационного периода, за который вблизи КЗП напряженно-деформированного трубопровода давление водорода в микропорах перлитной составляющей (В.И. Изотов с сотр.) трубной стали достигает значений, достаточных для образования очага стресс-коррозионного предразрушения. Источником поступления водорода в стенку трубы является ток катодной защиты, когда . Механизм проникновения водорода в сталь при перезащите связан с существованием на КЗП двух форм хемосорбированного водорода, находящихся в равновесии:

где - располагается над атомом металла кристаллической решетки на расстоянии порядка 0,1 нм; - располагается внутри кристаллической решетки на глубине порядка 0,05 нм и представляет собой растворенный в стали протон и электрон в зоне проводимости (Д. Хориути). Перемещение протона от КЗП в cтенку трубы, подобно эффекту «туннелирования» заряда (В.В. Притула), при котором вакансия отрицательного заряда протона попеременно заполняется ближайшим свободным электроном. Очаг предразрушения находится практически повсеместно вблизи КЗП, на глубине 0,17…0,3 мм, там, где концентрация водорода максимальна. Выделим наиболее опасный макродефект в области критической зоны образования очага предразрушения вблизи КЗП трубопровода. Рис. 11.

Рис. 11. Макродефект в области критической зоны образования «водородного надреза»

Эквивалентные напряжения, а значит и прочность трубопровода, в основном определяются кольцевыми напряжениями:

где - давление транспортируемого продукта в трубопроводе, МПа;

- внутренний радиус трубопровода, мм;

- толщина стенки трубы, мм.

Для образования «водородного надреза» вблизи КЗП длиной давление водорода в микротрещине должно превысить значение:

где - разрывающая сила от давления водорода в микротрещине см2.

Разрывающая сила равна произведению предела прочности трубной стали на площадь разрыва:

где см2;

мм - расстояние от внешней поверхности стенки трубы, где содержится наибольшая концентрация водорода и где наиболее вероятно зарождение стресс-коррозионных трещин;

- длина разрыва ( мм - радиус поры, где накапливается водород). Разрывающая сила представляет собой сумму разрывающих сил от давления водорода в поре и от рабочего давления в трубопроводе:

где .

В таблице 3 представлены рассчетно-экспериментальные результаты по влиянию режимов катодной защиты на время накопления критического давления водорода в зоне предразрушения трубопровода Ду 1220 мм с учетом рабочего давления в трубопроводе. Из представленной таблицы 3 видно, что при отсутствии давления в трубопроводе давление водорода в микропоре для образования «водородного надреза» должно достигнуть 763,376 атм. При рабочем давлении в трубопроводе, например, 6,0 МПа, давление водорода в микротрещине при образовании водородного надреза должно достигнуть уже 390,6 МПа, что существенно снижает длительность инкубационного периода. Степень электролитического наводороживания стенки напряженно-деформированного подземного стального трубопровода в зависимости от величины безразмерного критерия незначительна, когда ; средняя, когда и высокая, когда .

Таблица 3. Зависимость инкубационного периода образования стресс-коррозионных трещин от режима катодной защиты и напряжений в стенке трубопровода, создаваемых давлением транспортируемого продукта (Патент РФ № 2341589)

В предельном случае, когда давление в трубопроводе достигает максимально-допустимых значений, плотность тока катодной защиты не должна превышать плотность предельного тока по кислороду более, чем в 5…7 раз..

Области возможного применения новых критериев технической диагностики электрохимической защиты от коррозии подземных стальных трубопроводов. Разработанные критерии контроля режимов катодной защиты должны применяться при регулировании потенциалов катодной защиты подземных стальных трубопроводов путем дополнительного измерения предельного тока электровосстановления кислорода и тока катодной защиты с последующим определением остаточной скорости коррозии и интенсивности электролитического наводороживания, с прогнознымм определением степени коррозионного износа трубопровода и инкубационного периода образования стресс-коррозионных трещин в зависимости от превышения плотности тока катодной защиты над предельным по кислороду и механических напряжений в стенке трубопровода, создаваемых давлением транспортируемого продукта.

Выводы

1. Изучен процесс коррозионного разрушения трубных сталей при различных внутренних напряжениях в зависимости от условий доставки кислорода к корродирующей поверхности, характеризуемой плотностью предельного тока по кислороду. Установлено, что плотность коррозионного тока в язвах с максимальной глубиной при внутренних напряжениях практически достигает плотности предельного тока кислорода (63…86%), но не превышает ее. В отсутствии внутренних напряжений плотность коррозионного тока в язвах с максимальной глубиной проникновения составляет 32 - 46% от плотности предельного тока по кислороду.

2. Разработан новый метод оценки коррозионной активности грунтов при прокладке подземных стальных трубопроводов по величине плотности предельного тока по кислороду, измеренной на уровне укладки подземного трубопровода, у верхней его образующей. А.С. № 1694698.

3. Показано, что установившиеся во времени значения плотности предельного тока кислорода по мере увеличения диаметра дефекта за счет снижения эффективности боковой доставки кислорода уменьшается. При этом во всех дефектах изоляции плотность тока катодной защиты находится в обратной пропорциональной зависимости от радиуса сквозного дефекта изоляции, что свидетельствует о том, что доставка кислорода к сквозному дефекту изоляции (рабочему электроду зонда) описывается уравнением сферической диффузии.

4. Показано действие эффекта саморегулирования катодной защиты трубопроводов в сквозных дефектах изоляционного покрытия и под отслоившейся изоляцией в зоне контакта оголенной поверхности трубопровода с электролитом, находящихся в различных условиях доставки кислорода относительно периметра трубопровода, заключающегося в подавлении коррозионного процесса при неизменном режиме катодной защиты до постоянной остаточной скорости, когда в отсутствии катодной защиты скорость коррозии различается на порядок и более.

5. Впервые экспериментально показано, что в различных дефектах изоляции трубопроводов, находящихся в различных условиях доставки кислорода, величина безразмерного критерия постоянна: . При этом остаточная скорость коррозии, независимо от внутренних напряжений, определяется режимом катодной защиты, характеризуемым критерием и с достаточной для практики точностью описывается уравнением: .

6. Впервые экспериментально показано, что когда , эффективность электролитического насыщения трубной стали под отслоившейся изоляцией, в зоне ее контакта с электролитом остается практически такой же, что и непосредственно напротив сквозного дефекта изоляции. Показано, что степень электролитического наводороживания стенки катодно защищаемого трубопровода, в зависимости от величины безразмерного критерия , может оцениваться как незначительная, когда ; средняя, когда и высокая, когда .

7. Экспериментально показано, что при режимах катодной перезащиты, когда , интенсивность электролитического наводороживания ферритно-перлитных сталей трубного сортамента возрастает в 1,5…3 раза при переходе наводороживания образца в нижнем положении, соответствующем положению сквозного дефекта изоляции у верхней образующей трубопровода, к потолочному, соответствующему нахождению сквозного дефекта изоляции у нижней образующей трубопровода.

8. Диаметр водородных пузырьков на КЗП зависит от краевого угла смачивания и кривизны стенки трубопровода. При переходе от верхней образующей труб диаметром 720…1420 мм диаметр пузырьков уменьшается от 120 мкм до 30 мкм. . Время образования зародыша пузырька водорода у нижней образующей трубопровода Ду 720…1420 мм существенно больше (в 3 - 5 раз), чем у верхней образующей, что способствует длительному пребыванию ад-атомов водорода и интенсивному электролитическому наводороживанию трубной стали у нижней образующей трубопроводов диаметром более 720 мм.

9. Кривизна стенки труб диаметром менее 720 мм под действием сил поверхностного натяжения и Архимеда , действующих в одном направлении, приводит к увеличению краевого угла «смачивания» водородных пузырьков на КЗП от до , что приводит к росту их диаметра и интенсивному отделению от КЗП. На трубах диаметром менее 720 мм размер пузырьков практически не зависит от пространственного положения и остается постоянным, равным 100…120 мм, что приводит к уменьшению длительности пребывания ад-атомов водорода у нижней образующей труб диаметром менее 720 мм и практическому отсутствию электролитического наводороживания трубной стали.

10. Впервые получены рассчетно-экспериментальные результаты по влиянию режимов катодной защиты на время накопления критического давления водорода (инкубационного периода) в зоне предразрушения трубопровода диаметром 1220 мм с учетом рабочего давления в трубопроводе. Показано, что при при увеличении рабочего давления в трубопроводе до допустимых значений 7,5 МПа уже при достижении давления водорода в микропоре 297,484 атм запас прочности трубы будет исчерпан при за 40,75 лет, при - за 14,59 лет и при - за 11,64 года.

11. На основе проведенных электрохимических измерений на линейной части магистральных нефтегазопроводов и результатов внутритрубной диагностики определена реальная длительность недозащиты трубопроводов, когда или когда . Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что виды стресс-коррозионных трещин необходимо классифицировать с учетом длительности перезащиты, когда при при происходит локальное охрупчивание стенки трубопровода и реальной длительности простоя средств ЭХЗ, когда при происходит активное анодное растворение «водородного надреза» на КЗП.

12. Показана необходимость при выборе потенциалов катодной защиты трубопроводов дополнительно измерять и . Дополнительные электрохимические измерения позволят исключить или свести к минимуму образование коррозионных дефектов, когда , и предотвратить образование стресс-коррозионных дефектов, когда . При остаточная скорость не превышает 0,005…0,007 мм/год при практическом отсутствии электролитического наводороживания трубных сталей, что дает основание рекомендовать этот критерий для практической реализации.

13. На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработан и прошел промышленные испытания в ООО «Газпром трансгаз Томск» полевой аппаратно-программный комплекс «Магистраль» для количественного определения остаточной скорости коррозии и степени электролитического наводороживания напряженно-деформированных трубопроводов при различных режимах катодной защиты, впервые позволяющий диагностировать образование коррозионных и стресс-кооррозионных дефектов на внешней КЗП напряженно-деформированных трубопроводов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Хижняков В.И. О специфике коррозии подземных трубопроводов в условиях таежно-болотной зоны центральной части Западной Сибири // Защита металлов. 1983. Т. 19. № 5. С. 781 - 783.

2. Хижняков В.И., Трофимова Е.В. Превышение тока катодной защиты над предельным по кислороду - фактор коррозионного растрескивания трубопроводов под напряжением // Практика противокоррозионной защиты. 2009. № 1. С. 57 - 61.

3. Хижняков В.И. Определение остаточной скорости коррозии трубопроводов при различных режимах катодной защиты // Практика противокоррозионной защиты. 2008. № 2. С. 18 - 22.

4. Хижняков В.И. Определение максимальной скорости коррозии подземных стальных трубопроводов // Практика противокоррозионной защиты. 2008. № 3. С. 31 - 34.

5. Хижняков В.И. Предупреждение выделения водорода при выборе потенциалов катодной защиты подземных стальных трубопроводов // Коррозия: материалы, защита. 2009. № 9. С. 7 - 10.

6. Хижняков В.И. Новый критерий выбора режимов катодной защиты подземных стальных трубопроводов // Практика противокоррозионной защиты. 2009. № 4. С. 13 - 15.

7. Хижняков В.И., Жилин А.В. Определение инкубационного периода образования дефектов КРН на катодно защищаемой поверхности подземных стальных трубопроводов // Практика противокоррозионной защиты. 2009. № 4. С. 44 - 48.

8. Хижняков В.И. Предупреждение аварийности подземных стальных трубопроводов по причине коррозии под напряжением // Вестник Российской Академии Естественных Наук (Западно- сибирское отделение). 2008. Вып. 10. С. 85 - 91.

9. Хижняков В.И. Влияние кислородной проницаемости грунтов таежно-болотной зоны центральной части Западной Сибири на работу гальванических макропар при коррозии нефтепроводов большого диаметра // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ, 1982. № 4. С. 1-2.

10. Хижняков В.И. Влияние глубины укладки и промерзания грунта на распределение тока катодной защиты по периметру трубопроводов большого диаметра // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ. 1982. № 6. С. 12 - 13.

11. Хижняков В.И. Коррозия трубной стали в дефектах изоляционного покрытия нефтепроводов центральной части Западной Сибири // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ 1882. № 10. С. 2 4.

12. Хижняков В.И. Распределение скорости коррозии трубной стали под отслоившейся изоляцией при катодной защите и ее отсутствии // Коррозия и защита скважин, трубопроводов, оборудования и морских сооружений в газовой промышленности. 1982. № 3. С. 16 - 20.

13. Хижняков В.И. О саморегулировании катодной защиты подземных трубопроводов // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ. 1983. № 6. С. 9 - 11.

14. Хижняков В.И., Гамза В.В., Обливанцев Ю.Н. Зонд и полевой полярограф для определения предельного тока кислорода при коррозии подземных трубопроводов // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М., ВНИИОЭНГ. 1984. № 4. С. 4-6.

15. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. К оценке содержания кислорода в грунте по значению предельного тока по кислороду на платиновом электроде // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. М. ВНИИОЭНГ. 1978. № 2. С. 7-9.

16. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Математическая модель диффузии кислорода к поверхности подземного трубопровода // В сб. Теория и практика защиты от коррозии. Куйбышев. 1977. С. 177.

17. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Исследование процесса коррозии стальных образцов с поврежденной изоляцией в грунтах Томского Приобья // В сб. Прогрессивные материалы, технологии и оборудование для защиты изделий, металлоконструкций и сооружений от коррозии. Горький. 1983. С. 41-43.

18. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Исследование коррозии трубной стали во влажных грунтах Среднего Приобья // Коррозия и защита скважин, трубопроводов и морских сооружений в газовой промышленности. М., ВНИИОЭГазпром. 1982. № 4. С. 12-14.

19. Хижняков В.И., Глазов Н.П., Налесник О.И. Об определении коэффициента диффузии кислорода в грунтах при коррозии подземных стальных сооружений // Коррозия и защита скважин, трубопроводов и морских сооружений в газовой промышленности. М., ВНИИОЭГазпром. 1983. № 3. С. 14 - 17.

20. Хижняков В.И. Опыт коррозионного обследования магистральных нефтепроводов в условиях центральной части Западной Сибири // Трубопроводный транспорт нефти. М., 1992. № 6. С. 17 - 19.

21. Хижняков В.И., Штин И.В. Анализ коррозионного состояния полости магистрального нефтепровода Александровское - Анжеро - Судженск // Трубопроводный транспорт нефти. М., 2000. № 4. С. 11-13.

22. Хижняков В.И., Махрин В.И. Противокоррозионная защита резервуаров для хранения нефти // Трубопроводный транспорт нефти. М., 2003. № 3. С. 16-19.

23. Хижняков В.И. Защита магистральных нефтепроводов от почвенной коррозии // Трубопроводный транспорт нефти. М., 2004. № 12. С. 19-21.

24. Хижняков В.И., Жилин А.В. Выбор режимов катодной защиты, исключающих стресс-коррозионное растрескивание подземных нефтегазопроводов // В сб. Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии и материалы. Томск. 2005. С. 24.

25. Хижняков В.И., Иванов Ю.А., Назаров Б.Ф. Переносной полевой прибор для определения остаточной скорости коррозии и степени наводороживания стенки нефтегазопроводов при различных режимах катодной защиты // В сб. Экологические проблемы и техногенная безопасность строительства, эксплуатации и реконструкции нефтегазопроводов. Новые технологии и материалы. Томск. 2005. С. 36.

26. Хижняков В.И., Кудашкин Ю.А. Количественное определение остаточной скорости коррозии газопроводов при различных потенциалах катодной защиты // В сб. Газотранспортные системы: настоящее и будущее. М. 2007. С. 93 - 94.

27. Хижняков В.И. Иванов Ю.А., Назаров Б.Ф., Мошкин В.В. Датчики и приборы для диагностики и повышения эффективности катодной защиты газотранспортных систем // В сб. Газотранспортные системы: настоящее и будущее. М. 2007. С. 100 - 101.

28. Хижняков В.И. Противокоррозионная защита объектов трубопроводного транспорта нефти и газа. Томск. 2005. С. 187.

29. Патент РФ № 2341589. Хижняков В.И., Хижняков М.В., Жилин А.В. Cпособ определения продолжительности периода до образования стресс-коррозионных трещин в стальных трубопроводах. Опубл. 20.12.2008. Бюл. № 35.

30. Патент РФ № 2308545.Хижняков В.И., Иванов Ю.А. Способ катодной защиты подземных стальных трубопроводов. Опубл. 20.10.2007. Бюл. № 29.

31. А.С. № 1693710. Хижняков В.И., Прасс Л.В. Устройство для защиты внутренней поверхности резервуаров для хранения нефти от коррозии. 2001.

32. А.С. № 1620506. Хижняков В.И., Лягушин В.А. Способ определения эффективности катодной защиты стальных сооружений и коррозионно-индикаторный зонд для его осуществления. 1994.

33. А.С. № 1694698. Хижняков В.И., Чертов С.В., Иванов Ю.А. Устройство для измерения максимальной скорости коррозии магистральных трубопроводов.1989.

34. Хижняков В.И., Кудашкин Ю.А. Количественное определение остаточной скорости коррозии газопроводов при различных потенциалах катодной защиты // В сб. Современные методы и технологии защиты от коррозии. М., 2008. С. 29.

35. Хижняков В.И. Влияние режимов катодной защиты на степень подавления коррозии и на наводороживание стали 17ГС // Всероссийская конференция по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90». Сборник тезисов. Москва. 2008. С. 178 - 179.

36. Хижняков В.И. Выбор режимов электрохимической защиты подземных трубопроводов, исключающих электролитическое наводороживание // Всероссийская конференция «Физико-химические аспекты технологии наноматериалов, их свойства и применение. Сборник тезисов. Москва. 2009. С. 132.

37. Хижняков В.И., Трофимова Е.В. Превышение тока катодной защиты над предельным по кислороду - фактор электролитического наводороживания трубных сталей // В сб. Современные методы и технологии защиты от коррозии и износа. М. 2009. С. 8 - 9.

38. Хижняков В.И. Влияние режимов катодной защиты на степень подавления почвенной коррозии трубных сталей и на объем поглощенного при этом водорода // Вестник Российской Академии Естественных Наук (Западно- сибирское отделение). 2009. Вып. 11. С. 160 - 166.

39. Хижняков В.И. Коррозионное растрескивание под напряжением подземных катоднозащищаемых трубопроводов большого диаметра // Вестник Российской Академии Естественных Наук (Западно- сибирское отделение). 2010. Вып. 12. С. 86 - 90.

Размещено на Allbest.ur