Методы защиты трубопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Характеристики и сущность коррозионных процессов

Коррозия в зависимости от механизма реакций, протекающих на поверхности металла, подразделяется на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия представляет собой процесс разрушения металла при взаимодействии с сухими газами (газовая коррозия) или жидкими неэлектролитами (коррозия в неэлектролитах) по законам химических реакций и не сопровождается возникновением электрического тока. Продукты коррозии в этом случае образуются непосредственно на всем участке контакта металла с агрессивной средой.

При длительной эксплуатации трубопроводов, защищенных только изоляционным покрытием, возникают сквозные коррозионные повреждения уже через 5-8 лет после укладки трубопроводов в грунт вследствие почвенной коррозии, так как изоляция со временем теряет прочностные свойства и в ее трещинах начинаются интенсивные процессы наружной электрохимической коррозии. Суть процессов электрохимической коррозии заключается в следующем.

Электрохимическая коррозия (коррозионное разрушение) возникает под действием коррозионно-активной среды, разнообразна по характеру, вызывает большинство коррозионных разрушений трубопроводов и оборудования. Электрохимическая коррозия протекает с наличием двух процессов - катодного и анодного.

Электрохимическая коррозия является гетерогенной электрохимической реакцией. Она подразделяется на коррозию в электролитах, почвенную, электрокоррозию, атмосферную, биокоррозию, контактную. Во всех случаях окисление металлов происходит за счет возникновения электрического тока, протекают анодные и катодные процессы на различных участках поверхности и продукты коррозии образуются на анодных участках. При электрохимической коррозии одновременно протекают два процесса - окислительный (аноидный), вызывающий растворение металла на одном участке, и восстановительный (катодный), связанный с выделением катиона из раствора, восстановлением кислорода и других окислителей на другом. В результате возникают микрогальванические элементы, и появляется электрический ток, обусловленный электронной проводимостью металла и ионной проводимостью раствора электролита. Анодные и катодные процессы локализуются на тех участках, где их протекание облегчено. Причины, вызывающие электрохимическую неоднородность поверхности, весьма многочисленны: макро- и микронеоднородности металла; фазовая и структурная неоднородность сплавов; неоднородность и несплошность поверхностных пленок; неоднородность деформаций и напряжений. Кроме того, неоднородны и жидкие фазы, контактирующие с поверхностью.

Энергетическая характеристика перехода ионов в раствор при взаимодействии металла с электролитом или обратно - электродный потенциал. При взаимодействии металла с водой происходит его растворение или разрушение, т. к. атомы кислорода и водорода воды образуют полярные молекулы с двумя полюсами («+» и «-»), что приводит к возникновению силового электрического поля в воде. Молекулы воды внедряются в кристаллическую решетку металла на его поверхности (происходит гидратация), и переходя в воду с образованием ион-атома несущего положительный заряд. При этом оставшиеся в металле электроны носят отрицательный заряд. Ион-атом окружается молекулами воды, происходит образование у поверхности металла двойного электрического слоя и возникает разность потенциалов между поверхностью металла и слоями раствора, прилегающими к нему. При насыщении слоя ион-атомами переход их с поверхности металла в раствор прекращается. В этом случае устанавливается равновесие между разностью потенциалов в слое и разностью между свободными энергиями ионов металла в металле и в растворе. Это состояние соответствует равновесному электродному потенциалу. Он зависит от свойств ионов, их концентрации в растворе. Электродный потенциал платинового электрода в растворе НС, содержащий ионы водорода, продуваемого через раствор, условно принимается равным нулю, и называется нормальным водородным электродом. Равновесные потенциалы различных электродов% в растворах собственных солей, в которых концентрация равна единице, измеренные относительно нормального водородного электрода, называется нормальными потенциалами. Они образуют нормальный электрохимический ряд напряжений, по которому можно определить какой из пары взятых металлов будет разрушаться (служить анодом), и степень опасности коррозийного процесса.

Согласно теории электрохимической коррозии разрушение металла обусловлено работой множества короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся вследствие неоднородности среды и металла. При работе коррозийного элемента уменьшается разность начальных потенциалов, что сопровождается уменьшением коррозийного тока. Этот процесс называется поляризацией. Различают анодную и катодную поляризацию. При анодной поляризации в случае усиленного растворения металла ионы металла медленнее переходят в раствор, чем электроны отводятся в катодную область, и у поверхности электрода накапливаются положительные ионы металла, потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Катодная поляризация сопровождается смещением потенциала электрода в отрицательную сторону и вызывается в основном малой скоростью электрохимической реакции соединения деполяризаторов с электронами. Участки, на которых растворяется металл, называются анодными, на них ион-атомы железа переходят в раствор, а на катодных - ток выводит в грунт. Электрохимические процессы на аноде и катоде различны, но взаимосвязаны, и, как правило, самостоятельно не протекают. Такая связанная система называется коррозионным микроэлементом. На анодных участках осуществляется окисление с образованием ионов металла Fe⁺², а на катодных под влиянием кислорода образуется гидроокись (в результате кислородной деполяризации).

Ионы железа и гидроксила взаимодействуют и образуют нерастворимый осадок Fe(OH)₂, который разлагается на окись железа и воду; Fe\pH)₂ -» Fe₂O₃ + Н₂О Высвобождающиеся при окислении электроны от анодного участка по металлу изделия протекают к катоду и участвуют в реакции восстановления.

В некоторых случаях возможны сложные процессы коррозии при одновременном воздействии двух или более факторов. К ним относятся коррозия под напряжением, щелевая, коррозионная эрозия, коррозионная кавитация. Скорость коррозионных процессов зависит от многих факторов, связанных как со свойствами, составом и строением металлического материала, так и со свойствами среды и внешними воздействиями. Для стальных трубопроводов, уложенных в грунт, скорость разрушения зависит во многом от кор-розионности грунта, в частности, от типа грунта, состава и концентрации веществ, содержания влаги, проникновения воздуха в грунт, структуры грунта, температуры и удельного сопротивления грунта, наличия в грунте бактерий, активизирующих коррозионные процессы. Оценивается коррозионная активность грунта по величине его удельного электросопротивления (чем меньше р, тем больше возможность коррозии). Важной характеристикой грунта является и водородный показатель рН среды (увеличение скорости коррозии при уменьшении рН). На интенсивность коррозии оказывает влияние неоднородность металла, механические напряжения, температуры и т.д. Неоднородность металла приводит к появлению коррозионных микроэлементов (микропар) в местах соприкосновения с грунтом, или в месте изменения физических свойств грунта. Коррозия может произойти и при образовании макропары из-за наличия макровключений - окалины, царапины, вмятины, наклепа, поперечных, продольных сварных швов, макроструктурной неоднородности физико-химических свойств почв, (например, при неоднородном поступлении кислорода к поверхности трубопровода, расположенном под полотном дороги). Существенное влияние на скорость коррозии оказывает жизнедеятельность анаэробных бактерий, особенно в почвах, содержащих большое количество сульфатных солей. В этом случае происходит образование серной кислоты и усиление коррозионных процессов.

2. Причины и механизм коррозии трубопроводов

Основной причиной коррозии металла трубопроводов и резервуаров 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 второй 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.

Практически круговорот металла в природе выглядит так. Металлургическая промышленность, затрачивая большое количество энергии, осуществляет восстановление металлов из руд в свободное состояние, то есть переводит их на более высокий энергетический уровень. Однако, когда этот металл уже в виде какой-то конструкции подвергается действию окислителей (кислорода), он самопроизвольно переходит в более стабильное окисленное состояние.

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.

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 >Ме ⁿ⁺ + n •?.

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⁺ + 2е > 2Н > Н₂, то такая реакция называется реакцией водородной деполяризации. Если же деполяризатором выступает кислород

О₂ + 4Н⁺ + 4 ? > 2Н₂О - в кислой среде,

О₂ + 2Н₂О + 4 ? > 4 (ОН) - 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Методы защиты от коррозии

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии

Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.

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

Продлить срок службы трубопроводов можно, применяя следующие способы защиты:

1). Изоляцию поверхности металлических изделий от агрессивной среды (пассивная защита), т.е. нанесение на поверхность металла слоя химически инертного, относительно металла и агрессивной среды, вещества с высокими диэлектрическими свойствами;

2). Использование коррозионно-стойких материалов;

3). Применение электрозащиты подземных металлических сооружений;

4). Воздействие на окружающую среду с целью снижения её агрессивности, т.е. введение в среду ингибитора (замедлителей) коррозии. К этому способу можно отнести очистку воздуха от примесей и осушку его, обработку почвы ядохимикатами, снижают интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии и т.д.

Эти методы можно разделить на две группы. Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлоизделия (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделия, нанесение на него защитных покрытий). Последние два метода, напротив, могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации металлоизделия (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок-ингибиторов) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала использования. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия. Например, на отдельных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно менять плотность катодного тока. Или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы, использовать разные ингибиторы.

4. Характеристика методов защиты трубопроводов от коррозии

Рассмотрим методы защиты поподробнее.

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

* обладать высокими диэлектрическими свойствами;

* быть сплошными;

* обладать хорошей адгезией (прилипаемостью) к металлу трубопровода;

* быть водонепроницаемыми;

* обладать высокой механической прочностью и эластичностью; высокой биостойкостью;

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

* конструкция покрытий должна быть сравнительно простой, а технология их нанесения - допускать возможность механизации.

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

Противокоррозионную защиту подземных трубопроводов осуществляют:

* покрытиями на основе полимерных материалов (полиэтилена, термоусаживающихся и термореактивных полимеров, эпоксидных красок и др.), наносимыми в заводских или базовых условиях;

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

В качестве защитных материалов применяют различного вида мастики, краски, лаки, эмали, пластмассы. Эти материалы, жидкие в процессе нанесения, затем высыхают, образуя твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезией) 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).

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

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

* в засоленных почвах любого района страны;

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

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

* на участках блуждающих токов источников постоянного тока;

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

* на территориях насосных станций;

* на пересечениях с различными трубопроводами;

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

Во всех остальных случаях применяются защитные покрытия нормального типа.

2). Второй способ защиты - применение коррозионно-стойких труб. Он осуществляется 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 никелем и хромом. 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 (асбоцемента, бетона, керамики, стекла, пластмассы и т.д.).

3). Способы электрохимической защиты - это активные способы. Практика показывает, что даже тщательно выполненное изоляционное покрытие в процессе эксплуатации стареет: теряет свои диэлектрические свойства, водоустойчивость, адгезию. Встречаются повреждения изоляции при засыпке трубопроводов в траншее, при их температурных перемещениях, при воздействии корней растений. Кроме того, в покрытиях остается некоторое количество незамеченных при проверке дефектов. Следовательно, изоляционные покрытия не гарантируют необходимой защиты подземных трубопроводов от коррозии. Исходя из этого защита трубопроводов от подземной коррозии независимо от коррозионной активности грунта и района их прокладки должна осуществляться комплексно: защитными покрытиями и средствами электрохимической защиты (ЭХЗ).

Список литературы

коррозионный трубопровод защитный электролит

1. Мустафин Ф.М., Кузнецов М.В., Быков Л.И. Защита от коррозии. Т. 1. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2004.

2. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. М., 2006.

3. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М., 1976.

4. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1980

5. Кузнецов М.В., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Котов В.Ф. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров: Учебник для вузов - М., Недра, 1992.

6. Борисов Б.И. Защитная способность изоляционных покрытий подземных трубопроводов. - М., Недра, 1987.

7. Коршак А.А., Нечваль А.М. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов. СПб.: Недра, 2008.

Размещено на Allbest.ru