ТПУ. стр 96. Коррозионная защита магистральных трубопроводов в грунтах с различной коррозионной активностью
 Скачать 3.15 Mb.
|
|
Рис. 1. Схема, поясняющая физический смысл питтингового фактора Фреттинг – коррозия возникает вследствие вибрационных смещений стальных контактных поверхностей друг относительно друга. Обычно коррозия этого типа сопровождается появлением питтингов на контактирующих поверхностях. Кавитационная эрозия является результатом образования и схлопывания пузырьков газа на динамической поверхности раздела металл – жидкость. Она вызывает ряд питтингов, иногда сети трещин. Коррозионное растрескивание сталей под напряжением (КРН) возникает при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды. Низкоуглеродистая сталь в почвенных условиях корродирует с образованием мелких язв, коррозия нержавеющей стали в морской воде сопровождается, как правило, образованием глубоких питтингов. Основной причиной образования питтингов является электрохимическая гетерогенность стальной конструкции, например, в области сварного шва. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 23 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Рис. 2. Коррозионное разрушение стальной конструкции в области сварного шва: 1 – сварной шов; 2 – коррозионное разрушение в околошовной зоне Коррозионное разрушение стальной конструкции в области сварного шва, представленное на рис. 2, свидетельствует о том, что металл в околошовной зоне имеет более высокие внутренние напряжения, чем направленный металл собственно сварного шва и имеет более отрицательный электродный потенциал. В связи с этим в коррозионном гальваническом элементе «направленный металл – основной металл» околошовная зона сварного шва является анодом и подвержена интенсивному коррозионному разрушению. При избирательной коррозии происходит преимущественное растворение одного или нескольких компонентов сплава, например, межкристаллитная коррозия сталей, которая развивается вдоль границ зерен. Причина ее – повышенная скорость растворения границ зерен. Частными случаями межкристаллитной коррозии хромоникелевых сталей является ножевая коррозия, протекающая в полосе основного металла, непосредственно прилегающей к сварному шву и оставляющая после себя след, подобный ножевому разрезу. Межкристаллитная коррозия – это локальное коррозионное разрушение по границам зерен, приводящее к потере прочности и пластичности стали. Межзеренное вещество, действующее как анод, контактирующий с развитой поверхностью самих зерен, является катодом. Межкристаллитная коррозия протекает интенсивно, глубоко проникая в структуру стали и приводя к катастрофическим разрушениям находящегося в эксплуатации оборудования. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 24 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Растрескивание металла под действием пульсирующих или растягивающих напряжений в контакте стальной поверхности с коррозионной средой называют коррозионной усталостью. Если внутреннее напряжение в стальной конструкции не превышает критического значения, называемого пределом усталости, то вне коррозионной среды сталь будет разрушаться при значительно большем числе циклов нагружения. В коррозионной среде истинный предел усталости оборудования трубопроводного транспорта, как правило, не достигается. Если трубная сталь при постоянном растягивающем напряжении с сероводородосодержащих грунтах подвергается растрескиванию сразу после нагружения или спустя определенное время, это разрушение, как было указано выше, называется коррозионным растрескиванием под напряжением (КНР). В этом случае растрескивание вызывают атомы водорода, способные проникать в стенку трубы со стороны внешней катодно – защищаемой поверхности трубопровода, вследствие протекания реакции катодного разложения воды: H 2 O+4e=2H адс +OH при чрезмерно завышенных потенциалах катодной защиты. Поэтому величина поляризационного потенциала при катодной защите трубопроводов не должна превышать 1,1 В по м. э. с. Проведенный статистический анализ отказов по линейной части магистральных газонефтепроводов показал, что основными причинами является наружная и внутренняя коррозия (рис. 3). В настоящее время нефть и газ перед транспортировкой по магистральному трубопроводу проходят специальную подготовку. По этой причине доля отказов на магистральных газонефтепроводах, вызванных внутренней коррозией, не превышает 6% от количества отказов, вызванных наружной коррозией, обусловленных как коррозионным разрушением наружной поверхности, так и стресс – коррозионным разрушением трубопроводов со стороны внешней, катодно – защищаемой поверхности. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 25 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Рис. 3. Основные причины отказов на линейной части магистральных нефтегазопроводов На рис. 4 представлена динамика аварийности на газопроводах России (всех диаметров) по причине наружной коррозии и стресс – коррозии. Эти данные наглядно показывают, что по мере старения трубопроводного транспорта страны, число аварий, связанных с наружной коррозией и стресс – коррозионными разрушениями трубопроводов, возрастает. Следует отметить, что причины стресс – коррозионного разрушения газонефтепроводов и их диагностика до настоящего времени остаются малоизученными. Рис. 4. Динамика аварийности на магистральных нефтегазопроводах России (всех диаметров) по причине наружной коррозии и стресс – коррозии 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 В н еш н я я и в н ут р ен н я я ко р р о зи я М ех ан и ч ес ки е п о в р еж де н и я Б р ак С М Р Т ен ь за п о р н о й ар м ат ур ы П р о ч и е Ч и сло о тка зо в % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 стресс коррозия наружняя коррозия Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 26 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа По мере старения магистральных нефтегазопроводов стресс – коррозия превращается в проблему номер один. Так, до 1990 года число ЧП по этой причине не превышало 10% от всех аварий. За последние 5 лет число таких аварий достигло 38%. На сегодняшний день практика эксплуатации подземных нефтегазопроводов свидетельствует о том, что основная причина отказов на линейной части связана с коррозионными разрушениями. Действительно, в настоящее время до 60% отказов на линейной части связано с коррозионными повреждениями. На приведенной диаграмме показано соотношение коррозионных и стресс – коррозионных отказов на линейной части магистральных нефтегазопроводов. Данные динамики аварийности показывают, что по мере старения трубопроводного парка страны, более половины коррозионных отказов на магистральных нефтегазопроводах связано со стресс - коррозионными разрушениями. Данные свидетельствуют о том, что стресс - коррозионные отказы с возрастом трубопровода имеют тенденцию к возрастанию. К сожалению, до сих пор нет единой общепризнанной теории стресс - коррозионного разрушения трубопроводов. Практически нет современных средств прямой диагностики стресс - коррозии. Долгое время в России проявления этого вида коррозии трубопроводов не фиксировались. Газнадзором РФ до 1992 года зарегистрировано 43 аварии по этой причине. Однако можно предположить, что их было значительно больше, так как причины аварий первоначально связывали либо с качеством металла, либо с технологией сварочных и строительно - монтажных работ. В нашей стране проблемой стресс - коррозии начали заниматься с 1983 года. С этого времени начался учет отказов трубопроводов по этой причине. Характерный признак разрушений нефтегазопроводов по причине стресс - коррозии - отсутствие явных следов коррозионных повреждений поверхности труб в сочетании с трещинами различных формы и вида в очаге разрушения и на прилегающих к нему участках. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 27 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Я считаю необходимым особо подчеркнуть тот факт, что истинные масштабы поражения магистральных нефтегазопроводов стресс - коррозией были раскрыты в последнее время, после детального анализа отказов на нефтегазопроводах, анализа результатов внутритрубной диагностики и коррозионного обследования действующих нефтегазопроводов в шурфах. Необходимыми условиями для развития стресс - коррозии являются следующие: 1) отслоение изоляционного покрытия и доступ к поверхности трубы почвенного электролита; 2) наличие растягивающих напряжений. В связи с развитой сетью нефтегазопроводов в России и значительными сроками их эксплуатации вызывает беспокойство возрастающая аварийность на нефтегазопроводах по причине стресс – коррозии. Так, до 1990 года доля отказов газопроводов России из – за КРН и связанных с ними потерь газа не превышали 10% от общего числа. За последние пять лет 2000 – 2005 гг. число отказов по этой причине достигают 42% от общего числа отказов, а потери газа и экономический ущерб от них превысили 50% от общего ущерба. Одна из наиболее распространенных гипотез возникновения коррозионного растескивания сталей утверждает, что стресс – коррозия вызывается насыщением металла водородом, поступающим от внешних источников и создающим в местах дефектов кристаллической решетки повышенное давление и охрупчивание. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 28 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Рис. 5. Стенка трубопровода, подверженная стресс – коррозии со стороны катодно – защищаемой поверхности: А – вид в плане; Б – вид в профиль Потенциальными источниками водорода служат различные химические соединения, такие как: сероводородосодержащий газ, вода, карбонатные и нитратные соединения, сульфатредуцирующие бактерии и так далее, которые под влиянием внешнего электрического поля катодной защиты разлагаются с выделением свободных ионов водорода. Ионы водорода на катодно – защищенной поверхности трубопровода под действием тока катодной защиты восстанавливаются до атомов Н + + е → Н adc . Адсорбированные на катодно – защищаемой поверхности атома водорода образуют с железом твердый раствор внедрения. Атом водорода, поглощенный ионной трубы, превращается в протон, а его электрон входит в состав электронного газа. Параметр кристаллической решетки равен 0,00000008 см, а протон имеет размер 0,0000000000013 см, то есть в 10000 раз меньше. В дефектах кристаллической структуры атомы водорода рекомбинируют в молекулы, размер которых превышает параметр кристаллической решетки, поэтому дефекты кристаллической решетки являются «ловушками» для водорода. Перемещение водорода продолжается до тех пор, пока ион не встретит какое – либо нарушение объемно – центрированной формы кристаллической решетки стенки трубы, например микропоры или микротрещины, дислокации, неметаллические включения и тому подобное. Такие места становятся ловушками водорода, где он адсорбируется одним из атомов железа и прекращает свою дальнейшую трансляцию. При реализации вероятности попадания в эту же ловушку еще одного иона происходит реакция каталитической рекомбинации с образованием молекулы водорода. Резкое увеличение объема посторонних включений вызывает рост внутреннего давления до 100 – 200 МПа, что приводит к появлению локального внутреннего напряжения и образованию локальной трещины. В дальнейшем такая схема может циклически неоднократно повторяться, способствуя подрастанию образовавшейся трещины. Колонии таких трещин Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 29 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа с течением времени приводят к стресс – коррозионному разрушению трубопровода. Стимулятором образования стресс – коррозионных трещин является в том числе и неправильно выбранный режим катодной защиты (рис. 5). Действительно, в режиме перезащиты на внешней катодно–защищаемой поверхности трубопровода протекает катодное разложение воды с образованием водорода. Выделяющийся при реакции водород частично молизуется, образует пузырьки газа и уходит в коррозионную среду, а частично адсорбируется на поверхности металла и какое – то время пребывает в ней в атомарном состоянии. Некоторое количество водорода за это время успевает диффундировать в металл и раствориться в нем, либо относительно равномерно, «напрягая структуру», либо неравномерно, образовав локальные скопления, так называемые блистеры в дефектах структуры. Стресс–коррозионное растрескивание особенно опасно для сооружений, находящихся под нагрузкой (трубопроводы для транспорта нефти и газа, емкости высокого давления). Образующийся на внешней поверхности в процессе электрохимических реакций атомарный водород, даже при температуре транспортируемого по трубопроводу продукта, легко проникает в стенку трубопровода. Атом водорода, поглощенный стенкой трубы, превращается в протон, а его электрон переходит в состав свободных электронов кристаллической решетки. В дефектных местах кристаллической решетки протон, окруженный электронным газом, превращается в молекулу водорода. Оказавшись внутри стенки трубопровода, молекулы водорода не могут диффундировать далее. Поэтому они собираются в микротрещинах и расслоениях стенки трубы. Когда давление водорода превысит предел прочности трубной стали, в стенке трубы образуются блистеры, которые в условиях упругодеформированного состояния стенки трубы приводят к стресс – коррозионному разрушению трубопровода. На рис. 6 показана Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 30 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа стресс – коррозионная трещина со стороны катодно – защищаемой поверхности трубопровода. Наиболее вероятным механизмом, объясняющим общий ход развития стресс–коррозионной трещины со стороны внешней катодно – защищаемой поверхности трубопровода, является наводораживание пластической зоны стенки трубы на некотором расстоянии перед вершиной трещины, где в дислокациях (ловушках) кристаллической решетки стенки трубы давление молекулярного водорода, вызванного электролитическим насыщением, достигает и превышает временное сопротивление трубной стали. Рис. 6. Стресс–коррозионная трещина, образовавшаяся в процессе эксплуатации катодно – защищаемого трубопровода Ступенчатый характер стресс–коррозионных трещин в стенке трубы обусловлен беспорядочным расположением водородных «ловушек», расположенных не по прямой и последовательным разрушением перемычек между ними по мере роста давления водорода в «ловушках» стенки трубы. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 31 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа 1.3. Способы защиты стальных сооружений от коррозии Скорость коррозии в значительной степени зависит от совместного действия всех факторов, влияющих на течение коррозионного процесса. Изменение состава окружающей среды может замедлить или ускорить коррозию. Так, ионы Cl - в ряде случаев увеличивают скорость коррозии, так как при наличии ионов хлора образуется растворимая соль FeCl 2 , которая в отличии от гидроокиси Fe(OH) 2 , не образует на корродирующей поверхности защитной пленки. В том же направлении действуют и ионы металлов с переменной валентностью: (Fe 2+ = Fe 3+ + e). Другие вещества (ингибиторы) замедляют процесс коррозии. Температура окружающей среды (грунта) также способствует изменению скорости коррозии, которая увеличивается с ростом температуры и наоборот. Отсюда следует, что при прокладке трубопроводов в мерзлых грунтах скорость коррозии невелика, но она резко увеличивается при их оттаивании. Срок службы конструкций трубопроводного транспорта нефти и газа в естественных условиях окружающей среды часто относительно короткий. Продлить его можно четырьмя основными способами, которые широко используются в трубопроводном транспорте нефти и газа: 1) изоляцией стального сооружения от контакта с внешней агрессивной средой; 2) использованием коррозионно - стойких сталей; 3) воздействием на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности; 4) применением электрохимической защиты подземных стальных сооружений. Первый способ носит название пассивной защиты. Он предусматривает: а) нанесение на поверхность стального сооружения слоя химически инертного относительно стали и окружающей агрессивной среды вещества с высокими диэлектрическими свойствами. В качестве защитных материалов применяют различного рода мастики, краски, лаки, эмали, пластмассы. Эти Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 32 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа материалы жидкие в процессе нанесения, затем высыхают, образуя твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезией) с поверхностью защищаемого стального сооружения. К этому методу следует отнести также и 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. Применение защитного слоя на стальных сооружениях – наиболее распространенный метод; б) обработку изделий специальными растворами, в результате чего на стальной поверхности образуется слой малорастворимых солей. Примером может служить образование нерастворимых фосфатов на поверхности стальных изделий (фосфатирование) или оксида алюминия на изделиях из алюминиевых сплавов. Обработка поверхности стальных изделий растворами пассиваторов производится для перевода поверхностного слоя стали из активного состояния в пассивное, при котором резко уменьшается переход ионов железа в раствор и тем самым снижается интенсивность коррозионного процесса; в) нанесение на изделие из малостойкого металла (обычно углеродистые стали) тонкого слоя другого металла, обладающего меньшей скоростью коррозии в данной среде (например, цинкование, хромирование или никелирование стальных изделий). Второй способ защиты – введение в сталь компонентов, повышающих ее коррозионную стойкость в данных условиях, или удаление вредных примесей, ускоряющих коррозию. Он применяется на стадии выплавки стали, а также при термической и механической обработке стальных деталей. Во многих случаях легирование металла, мало склонного к пассивации металлом, легко пассивируемым в данной среде, приводит к образованию Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 33 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа 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. Широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов. Сюда же относят использование неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (асбоцемента, бетона, керамики, стекла, пластмассы и т. д.). Третий способ защиты от коррозии предусматривает дезактивационную обработку агрессивной среды введением ингибиторов (замедлителей) коррозии. 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 (деаэрация водных растворов, очистка воздуха от примесей, его осушка и т. д.). Обработка коррозионной среды различными ядохимикатами позволяет значительно снизить интенсивность деятельности микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии металлов. При борьбе с подземной коррозией осуществляется обработка агрессивного грунта с целью обеспечения его гидрофобизации (несмачиваемости водой), нейтрализация щелочами или кислотами и частичная замена на менее агрессивный грунт или специальную засыпку. Последнее мероприятие может рассматриваться как изоляция металла от прямого воздействия среды. Четвертый способ носит название активной защиты, осуществляемый на практике следующими способами: 1) постоянной катодной поляризацией стального сооружения, эксплуатирующегося в среде достаточно большой электропроводностью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической энергии, носит название Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 34 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа катодной защиты. При катодной защите на подземное стальное сооружение подается отрицательный потенциал, что приводит к снижению его скорости коррозии до значений, как правило, не превышающих 0,01мм/год; 2) катодной поляризацией, вызванной электрическим контактом сооружения с металлом, обладающим боле 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); 3) анодной поляризацией, которая в некоторых случаях способствует поддержанию пассивного состояния стали в средах (например, кислотах), являющихся весьма агрессивными. Мероприятия по борьбе с блуждающими токами 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 – обязательные, но только начальная мера. Независимо от этого вида работ обязательно производится защита самих подземных сооружений: использование изолирующих современных покрытий, устройство электрических экранов, установка изолирующих фланцев (соединений) на трубопроводах, укладка трубопроводов в подземных коллекторах и каналах, электродренажная защита, катодная поляризация и др. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 35 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа |