Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Коррозия. Способы борьбы с коррозией в нефтяной промышленности

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ НАРУЖНОЙ КОРРОЗИИ

Наружная и внутренняя коррозия является основной причиной отказов нефтегазопромысловых трубопроводов. Повышение надежности работы трубопроводных систем возможно при применении новых технологичных и эффективных методов антикоррозионных мероприятий и защитных покрытий.

Промысловые подземные трубопроводы эксплуатируются в среде, представляющей собой почвенный электролит, который весьма активно способствует коррозионному разрушению незащищенного металла. Очевидно, что эффективность противокоррозионной защиты в значительной степени определяет надежность трубопровода. Важнейшим техническим мероприятием по борьбе с коррозией является предотвращение непосредственного контакта металла труб с агрессивной средой, что достигается созданием на поверхности трубопровода специальной оболочки, называемой изоляционным покрытием. Изоляционное покрытие имеет определенную конструкцию в зависимости от коррозионной активности грунтов [8, 30, 36, 39, 50, 51, 57, 75]. Срок службы металлических конструкций в естественных условиях окружающей среды часто относительно короткий. Продлить его можно в основном четырьмя способами, которые широко используются в практике. К ним относятся:

  • • изоляция поверхности трубопровода от контакта с внешней агрессивной средой;
  • • использование коррозионностойких материалов;
  • • воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности;
  • • применение электрохимической защиты подземных металлических сооружений.

Есть много способов защиты трубопроводов от коррозии. Первый способ носит название пассивной защиты. Он предусматривает:

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 мастики, краски, лаки, эмали, пластмассы. Эти материалы, жидкие в процессе нанесения, затем высыхают, образуя твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезия) с поверхностью защищаемого металла.

Применение защитного слоя на металлических объектах — наиболее распространенный метод. Также наносят на изделия из малостойкого металла (обычно углеродистые стали) 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 — введение в металл компонентов, повышающих его коррозионную стойкость в данных условиях, или удаление вредных примесей, ускоряющих коррозию. Он 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 коррозионностойкие сплавы, например нержавеющие стали, легированные хромом и никелем. Однако широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов.

Сюда же часто относят использование неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (асбоцемент, бетон, керамика, стекло, пластмасса и т.д.). Однако изготовление изделий из коррозионностойких материалов не должно рассматриваться как способ защиты от коррозии: где нет коррозионного процесса, там нет и защиты от него.

Третий способ защиты предусматривает снижение агрессивности окружающей среды, которое можно добиться несколькими способами: деаэрация электролита почвы, гидрофобизация грунтов, нейтрализация грунта различными кислотами и щелочами, уменьшение опасности биокоррозии и замена грунта на менее агрессивный.

Четвертый способ — активная защита или электрохимическая защита (ЭХЗ) трубопроводов. Задача метода ЭХЗ подземных металлических сооружений — защита от почвенной коррозии, от коррозии блуждающими токами и торможение коррозионного процесса с целью исключения появлений отказов трубопроводов [13]. Сюда относятся:

  • • постоянная катодная поляризация металлического сооружения, эксплуатирующегося в среде с достаточно большой электропроводностью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической энергии, носит название катодной защиты. В некоторых случаях катодная поляризация может производиться не постоянно, а периодически, что дает ощутимый экономический эффект. При катодной защите изделию придается настолько отрицательный электрический потенциал, что оно становится катодом и разрушение металла термодинамически невозможно;
  • • катодная поляризация, вызванная 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;
  • • электродренажная защита, к этому методу можно отнести мероприятия по борьбе с блуждающими токами, которые осуществляются 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 производится защита самих подземных сооружений: использование установок дренажной защиты — УДЗ, устройство электрических экранов, установка изолирующих фланцев (соединений) на трубопроводах.

В зависимости от диаметра и конкретных условий прокладки и эксплуатации трубопроводов применяются два типа защитных покрытий: усиленный и нормальный [12, 26].

Усиленный тип защитных покрытий применяется на участках трубопроводов I и II категорий всех диаметров, на трубопроводах диаметром 820 мм и более, а также на трубопроводах любого диаметра, прокладываемых в зонах повышенной коррозионной опасности:

  • • в засоленных почвах любого района страны (солончаковые, солонцы, солоди, такиры, соры и др.);
  • • в болотистых, заболоченных, черноземных и поливных почвах; на участках перспективного обводнения или орошения; на переходах (подводных, в поймах рек, через железные и автомобильные дороги); на расстоянии в обе стороны от переходов в соответствии с приложением Е и действующими нормативнотехническими документами РД 39-132-94; СП 34-116-97; ГОСТ Р51164-98 [26, 29, 59];
  • • на пересечении с различными трубопроводами плюс в обе стороны от пересечения в соответствии с НТД;
  • • на территориях компрессорных станций, газовых распределительных станций, насосных станций, установок комплексной подготовки газа и на расстоянии от них в соответствии с приложением И;
  • • на участках:
  • — промышленных и бытовых стоков, свалок мусора и шлака;
  • — блуждающих токов источников постоянного тока;
  • - трубопроводов с температурой транспортируемого продукта ЗЗОК (30°С) и выше;
  • - нефтепроводов, нефтепродуктопроводов, прокладываемых на расстоянии менее 1000 м от рек, каналов, озер, водохранилищ, а также от границ населенных пунктов и промышленных предприятий.

Во всех остальных случаях применяются защитные покрытия нормального типа.

Согласно ГОСТ Р51164-98, регламентируются 22 конструкции защитных покрытий трубопровода. Иногда допускается применять другие виды изоляционных покрытий при согласовании с заказчиком, Госгортехнадзором и проектировщиком в соответствии с утвержденными ТУ, другими НТД или сертификатами качества новых поступающих импортных изоляционных материалов.

На трубопроводах, прокладываемых под автомобильными, железными дорогами, подводными переходами, в скальных грунтах, необходимо применять жесткую футеровку из негниющих материалов или обетонирование с опорной фиксацией.

Следует производить изоляцию:

  • • полимерную ленточную на трубопроводах не более 820 мм;
  • • битумную на трубопроводах не более 820 м;
  • • стеклоэмалевую на трубопроводах не более 530 мм.

Согласно ГОСТ Р51164-98 [26] к изоляционным покрытиям

предъявляются требования по 21-му показателю, например: прочность, относительное удлинение, температура хрупкости, прочность при ударе, адгезия, грибостойкость, переходное сопротивление, диэлектрическая сплошность, пенетрация, водопоглощение ит.д.

Трубопроводы при надземной прокладке необходимо защищать от атмосферной коррозии лакокрасочными металлическими покрытиями или покрытиями из консистентных смазок. Лакокрасочные покрытия имеют общую толщину не менее 0,2 мм и сплошность не менее 1 кВ на толщину (рис. 10). Контроль лакокрасочных покрытий производят: по толщине — толщиномером типа МТ-41НЦ или МТ-ЗЗН, а по сплошности — искровым дефектоскопом типа ЛКД-1 или «Крона-1Р».

Консистентные смазки применяют в районах с температурой воздуха не ниже минус 60°С на участках с температурой эксплуатации трубопроводов не выше 40°С. Покрытие содержит 20% алюминиевой пудры ПАК-3 или ПАК-4 и имеет толщину в пределах 0,2-0,5 мм.

Лакокрасочное покрытие надземных технологических трубопроводов

Рис. 10. Лакокрасочное покрытие надземных технологических трубопроводов

При проектировании электрохимической защиты трубопроводов и оборудования рассматриваются группы или отдельные сооружения: скважины или кусты скважин, многониточные системы трубопроводов и одиночные трубопроводы, площадки установок комплексной подготовки нефти и газа и другие сосредоточенные объекты; при этом схемы защиты всех групп сооружений согласовывают между собой.

Глубинные анодные заглубления предусматриваются при залегании на глубине до 10 м грунтов с более высоким (в 2—3 раза) электросопротивлением по сравнению с нижележащими слоями и при расположении скважин по сетке менее чем 200 м.

В случае неглубокого заложения (до 20 м) анодные заземления устанавливают не менее чем на 300 м от защищаемых сооружений.

Если осуществляют электрохимическую защиту выкидных линий (шлейфов), то точка дренажа должна находиться не менее чем в 50 м от устья скважины. При этом сила тока защитной установки увеличивается на величину защитного тока, потребляемого обсадной колонной скважин.

При совместной прокладке трубопроводов в одном коридоре они считаются электрохимически защищенными от подземной коррозии, если поляризационный потенциал находится в пределах между минимальным защитным и максимально допускаемыми потенциалами. Не применяются системы электрохимической защиты с обязательным уравниванием защитных потенциалов в точке дренажа на трубопроводах с различными электрическими параметрами.

Тепловая изоляция трубопроводов предусматривается в случае необходимости:

• обеспечения заданной температуры продукта в соответствии

с нормами технологического проектирования при транспортировке его в зимних условиях (высокопарафинистая нефть, обводненная нефть, конденсат, вода и др.);

  • • исключения пучения и осадки трубопровода;
  • • обеспечения сохранности окружающей среды.

Защитные покрытия трубопроводов должны обладать следующими свойствами:

  • 1) водонепроницаемостью, исключающей возможность насыщения пор покрытия почвенной влагой и тем самым препятствующей контакту электролита с поверхностью защищаемого металла;
  • 2) хорошей адгезией (прилипаемостью) покрытия к металлу, что предотвращает отслаивание изоляции при небольшом местном разрушении, а также исключает проникновение электролита под покрытие;
  • 3) сплошностью, обеспечивающей надежность покрытия, так как даже мельчайшая пористость в покрытии приводит к созданию электролитических ячеек и к протеканию коррозионных процессов;
  • 4) химической стойкостью, обеспечивающей длительную работу покрытия в условиях агрессивных сред;
  • 5) электрохимической нейтральностью: отдельные составляющие покрытия не должны участвовать в катодном процессе, в противном случае это может привести к разрушению изоляции при электрохимической защите металлического сооружения;
  • 6) механической прочностью, достаточной для проведения изоляционно-укладочных работ при сооружении металлического объекта и выдерживающей эксплуатационные нагрузки;
  • 7) термостойкостью, определяемой необходимой температурой размягчения, что важно при изоляции «горячих» объектов, и необходимой температурой наступления хрупкости, что имеет большое значение при проведении изоляционных работ в зимнее время;
  • 8) диэлектрическими свойствами, определяющими сопротивление прохождению тока, предотвращающими возникновение коррозионных элементов между металлом и электролитом и обусловливающими экономический эффект от применения электрохимической защиты;
  • 9) отсутствием коррозионного и химического воздействия на защищаемый объект;
  • 10) возможностью механизации процесса нанесения изоляционного покрытия как в базовых, так и в полевых условиях;
  • 11) недефипитностью (широкое применение находят только те материалы, которые имеются в достаточном количестве);
  • 12) экономичностью (стоимость изоляционного покрытия должна быть во много раз меньше стоимости защищаемого объекта).

Всем этим требованиям не отвечает ни один естественный или искусственный материал, так как при обеспечении высокого качества покрытий несоизмеримо возрастает стоимость. Поэтому выбор изоляционного покрытия определяется конкретными условиями строительства и эксплуатации трубопроводов, наличием сырьевой базы, технологичностью процесса нанесения покрытия и т.д., эти условия и определяют диапазон материалов, применяемых в качестве покрытий для стальных труб.

Классификация защитных покрытий трубопроводов принята исходя из назначения, типов, материалов изоляционных покрытий, способов и температуры нанесения изоляции и т.д., которые используются в настоящее время или прошли опробацию ранее с положительным или отрицательным эффектом. Более подробно представленные изоляционные материалы и способы их нанесения широко рассмотрены в учебной, нормативной и периодической литературе.

В настоящее время в нашей стране трубопроводы в основном изолируются: полимерными ленточными покрытиями; битумными, битум-полимерными, асфальто-смолистыми мастиками с применением полимерных ленточных материалов; полимерными покрытиями заводского нанесения. Из этих материалов наилучшими эксплуатационными свойствами на сегодняшний день обладают полимерные изоляционные покрытия заводского нанесения толщиной 3,5—5 мм с изоляцией зоны сварных стыков термоуса- живающимися лентами и манжетами. Наиболее перспективными по своим свойствам являются полимерцементные, полиуретановые, полипропиленовые, фосфатно-керамические покрытия.

Их широкое применение возможно при значительном понижении стоимости.

Иногда на отдельных промысловых трубопроводах с заведомо известной высокой скоростью внутренней коррозии применяют при согласовании с проектировщиком, Госгортехнадзором и природоохранными организациями эксплуатацию без защитных покрытий или только с окраской праймером.

Самым распространенным способом нанесения наружного покрытия из полиэтилена является экструдирование. Полиэтилен можно наносить на зачищенную поверхность стальной трубы без подогрева последней. В этом случае материал покрытия наносится на двигающуюся поступательно трубу через отверстие кольцевого экструдера.

Для улучшения сцепления покрытия с поверхностью металла при экструдировании полиэтилена применяется промежуточный слой клейкого материала.

Эпоксидные покрытия нашли широкое применение в течение последних лет для труб различных диаметров и назначения.

Наиболее распространенный способ нанесения эпоксидного покрытия на поверхность металла — напыление в электростатическом поле.

К недостаткам тонкопленочных эпоксидных покрытий относятся низкие показатели стойкости к катодному отслаиванию и ударной прочности. В связи с этим в последнее время проводятся исследования как по повышению качества тонкопленочных эпоксидных покрытий, так и по повышению их ударной прочности.

Одним из эффективных путей повышения ударной прочности тонкопленочной эпоксидной изоляции является применение комбинированных защитных покрытий.

Одним из таких видов является эпоксидно-полиэтиленовое покрытие. Трубопроводы, работающие при высоких давлениях и температурах, в последние годы изолируются материалами, одним из компонентов которых является стеклоткань или стекловолокно, заметно повышающее прочность покрытий и их термо- и коррозионную стойкость. Применение стеклоткани и стекловолокна позволило расширить область использования таких традиционных видов покрытий, как битумные материалы. Стеклоткань и стекловолокно при соответствующем подборе свойств в зависимости от их обработки повышают сопротивляемость покрытий ударным воздействиям при транспортировке и укладке труб, а также воздействию грунтов и т.д.

Это, прежде всего, относится к битумным покрытиям, на которых часто наблюдаются механические повреждения, возникающие при хранении, транспортировании и укладке труб, появляются также непокрытые участки — результат размягчения и растекания материала покрытия при высоких температурах или неплотного прилегания покрытия к поверхности металла из-за плохой зачистки трубы, или понижение прочности покрытия при низких температурах. Битумные покрытия в сочетании со стекловолокном образуют надежную и устойчивую изоляцию.

Покрытия, получаемые на основе каменноугольных материалов, отличаются высокой температурой плавления, поэтому их используют для изоляции труб, идущих от компрессорных станций. Благодаря использованию стеклоткани прочность покрытия значительно увеличивается, что в сочетании с устойчивостью каменноугольной смолы к воздействию высоких температур дает совершенно новые свойства покрытий. Широкое применение каменноугольных материалов ограничивается из-за высокой токсичности.

Стекломатериалы, прочные, устойчивые против коррозии и влагонепроницаемые, использованы для создания принципиально новых изоляционных покрытий, предназначенных для особо агрессивных сред.

Для изготовления ленточных покрытий в основном применяются полиэтилен и поливинилхлорид. Ленточные покрытия обладают достаточно высокой прочностью и сопротивляемостью износу. Но их применение ограничивается, как и битумных покрытий, действующей нормативно-технической документацией [26, 59]. Например, они не применяются на трубопроводах диаметром более 820 мм.

По способу нанесения на трубы ленточные покрытия делятся на три типа:

  • 1) полиэтиленовые и поливинилхлоридные ленты с клейким слоем, которые могут применяться как в заводских, так и в трассовых условиях;
  • 2) состоящие из пластмассовой пленки и клейкого слоя, наносимых на трубы отдельно;
  • 3) слоистые ленты, состоящие из нескольких слоев поливинилхлоридной или полиэтиленовой пленки с клейким слоем из бутиловой резины или каменноугольной смолы.

Существуют также петролатумные ленты, применяемые в основном в холодном состоянии. Первоначально использовались бумажные или тканевые полосы, пропитанные петролатумом. Петролатум химически нейтрален, поэтому покрытия из него практически не требуют предварительной обработки поверхности металла.

К преимуществам петролатумных ленточных покрытий необходимо отнести хорошие клейкие свойства и низкую влагопрони- цаемость. Однако определенным препятствием является невысокая прочность этих лент, поэтому в последние годы появились комбинированные покрытия на основе петролатума.

Основу широко применяющихся термоусаживающихся манжет и муфт составляет радиационно-вулканизованный полиолефин трехмерной структуры, который при тепловом воздействии на него обеспечивает усадку изделия на стыке. На внутреннюю поверхность основы наносится специальный адгезив-клей, который, сплавляясь при усадке манжеты, обеспечивает ее адгезию к металлу и заводскому покрытию.

Проведенные сравнительные исследования отечественных и зарубежных изоляционных материалов показали предпочтительность применения полиуретанов в качестве антикоррозионных покрытий для труб, используемых для подводных переходов, выполняемых методом наклонно-направленного бурения. В настоящее время начаты работы по строительству установки для производства таких труб [28].

В настоящее время в газовой промышленности существуют три основных метода изоляции стальных труб полиэтиленом: агломерация, рукавная и обмоточная экструзии. Предлагается комбинированное эпоксидно-полиэтиленовое покрытие — трехслойная изоляция [11].

Продукция нефтяных и газовых скважин представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую из нефти, газа, воды и различных примесей. В процессе движения этой смеси по трубопроводам происходят различные физические и химические процессы (отложение парафинов, солей, абразивный износ, коррозионное разрушение поверхности), в результате которых нарушается нормальная работа трубопроводов.

Для обеспечения эффективной работы трубопроводов необходимо предотвратить возможность развития этих процессов.

Вопросам коррозионного разрушения внутренней поверхности промысловых трубопроводов посвящены работы многих авторов [1, 2, 4, 6, 10, 14, 17-20, 22, 42-47, 58, 62-64, 66, 70, 71, 76, 81]. На основании этих исследований можно отметить следующее.

Основными видами коррозии нефтегазопроводных труб являются коррозия с потерей массы (общая, язвенная, канавочная коррозия) и сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). Последний вид коррозионного поражения проявляется в сероводородосодержащей среде и является наиболее опасным. При взаимодействии стали с сероводородосодержащей средой образуется атомарный водород, диффундирующий вглубь металла и вызывающий его охрупчивание и растрескивание по всему объему. Трещины и дефекты, образующиеся под воздействием атомарного водорода на начальной стадии, имеют микроскопические размеры. Со временем их количество растет, что может привести к их слиянию и образованию макротрещины. Поскольку сталь под воздействием водорода склонна к охрупчиванию, макротрещина часто развивается мгновенно по хрупкому механизму. Разрушение трубопроводов вдоль образующей, сопровождаемое раскрытием трубы на несколько метров, как правило, связано именно с сульфидным коррозионным растрескиванием [58].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>