IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Коррозией металлов называется постепенное поверхностное разрушение металла врезультате химического и электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Так, коррозия внешних поверхностей подземных стальных газопроводов происходит под действием химических соединений, имеющихся в почве, и блуждающих электрических токов. Коррозия металла труб происходит как снаружи под воздействием почвенного электролита (в почве всегда находится влага и растворенные в ней соли), так и внутри, вследствие примесей влаги, сероводорода и солей, содержащихся в транспортируемом углеводородном сырье. Существует три основных вида внешней коррозии стальных газопроводов: электрохимическая, атмосферная и почвенная коррозия. Так как газопроводы в основном прокладывают под землей, рассмотрим почвенную коррозию более подробно.

При подземной прокладке стальные газопроводы подвергаются почвенной коррозии. В грунтах почти всегда содержатся соли, кислоты, щелочи и органические вещества, которые вредно действуют на стенки стальных труб. В некоторых случаях такая коррозия может вызвать очень быстрое появление сквозных свищей в металле трубы и этим вывести газопровод из строя, такие разрушения происходят особенно часто в газопроводах, уложенных без достаточной защиты от коррозии. Почвенной коррозии подвержены трубопроводы, кабели, подземные сооружения. В этом случае металлы соприкасаются с влагой почвы, содержащей растворенный кислород. Во влажной почве с повышенной кислотностью газопроводы разрушаются в течение полугода после их укладки (конечно, если не принять меры по их защите). Процессы коррозии газопроводов в почве имеют электрохимическую природу; их развитие рассматривается как результат работы микро- и макрогальванических элементов, возникающих в результате соприкосновения поверхности металла с грунтом, содержащим в себе электролит.

Почвенная коррозия обусловлена наличием в грунте влаги, солей, кислот, щелочей,кислорода, а также неоднородностью металла, создающих условия для возникновения на поверхности газопровода гальванических элементов, вызывающих коррозию металла на анодных участках. При наличии на поверхности металла газопровода царапины участок ее поляризуется анодно, а соседний неповрежденный участок поляризуется катодно. В образовавшейся гальванической паре по металлу трубы, как по внешней цепи, ток потечет от катода к аноду,ав электролите грунта он потечет от анода к катоду, вызывая анодное растворение стали, т. е. в точке А металл будет разрушаться (рис.1). При физико-химической и микроструктурной неоднородности металла на его поверхности образуются микрокоррозионные пары.

Внутренняя полость трубы Неповрежденный участок Стенка трубы Царапина Грунт

Рис.1. Схема образования гальванической пары на поверхности газопровода

Неоднородность физико-химических свойств грунта на отдельных участках трассы газопровода вызывает образование на нем макрокоррозионных пар длиной в десятки и сотни метров. Коррозионные разрушения плохо изолированных участков стальных газопроводов при почвенной коррозии носят иногда довольно равномерный характер, но нередко образуются каверны и глубокие раковины [1].

Методы защиты стальных подземных газопроводов от почвенной коррозии. Методы защиты от почвенной коррозии делятся на два вида: активная и пассивная защита. Пассивная защитапредставляет собой изоляцию поверхности трубопровода от землиразличными материалами (разнообразные пропитки, грунтовки, покрытия и т.д.). Активная защита имеет цель устранения обстоятельств, вызывающих коррозию трубопроводов. Для этого стараются перенести процесс коррозии с трубопровода на заземляющие устройства.

Пассивная защита. Для изоляции газопроводов в трассовых условиях в настоящее время наиболее широко применяют три типа защитных покрытий:

1. битумно-мастичные покрытия;

2. полимерные ленточные покрытия;

3. комбинированные мастично-ленточные покрытия (покрытия типа «пластобит»).

В соответствии с требованиями [2] 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. 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, 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.

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 [1].

Основными недостатками битумно-мастичных покрытий являются узкий температурный диапазон применения (от −10℃ до +40℃), недостаточно высокая ударная прочность и стойкость к продавливанию, повышенная влагонасыщаемость и низкая биостойкость. Срок службы битумных покрытий ограничен и, как правило, не превышает 10÷15 лет.

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

К преимуществам ленточных покрытий следует отнести высокую технологичность их нанесения на трубы в заводских и трассовых условиях, хорошие диэлектрические характеристики, низкую влагопроницаемость и кислородопроницаемость 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, низкая биостойкость адгезионного слоя покрытия [3].

При нанесении на трубы комбинированного ленточно-полиэтиленового покрытия предварительно осуществляется щеточная очистка наружной поверхности труб. Технологический нагрев труб не производится. На очищенные трубы первоначально наносится битумно-полимерная грунтовка, а затем, после сушки грунтовки, осуществляется нанесение на праймированные трубы дублированной изоляционной ленты и наружного защитного слоя из экструдированного полиэтилена. Полиэтиленовый слой прикатывается к поверхности труб эластичным роликом, после чего изолированные трубы охлаждаются в камере водяного охлаждения.

Активная защита. Долговечность и безаварийность работы газопроводов напрямую зависит от эффективности их противокоррозионной защиты. Для сведения к минимуму риска коррозионных повреждений трубопроводы защищают антикоррозионными покрытиями и дополнительно средствами электрохимзащиты (ЭХЗ). При этом изоляционные покрытия обеспечивают первичную («пассивную») защиту трубопроводов от коррозии, выполняя функцию «диффузионного барьера», через который затрудняется доступ к металлу коррозионно-активных агентов (воды, кислорода, воздуха). При появлении в покрытии дефектов предусматривается система катодной защиты трубопроводов - «активная» защита от коррозии.

В качестве электрохимзащиты на подземных газопроводах применяются: электрический дренаж (рис.2), катодная защита (рис.3), протекторная защита (рис.4). Рассмотрим основные схемы этих защит и принцип их работы.

Электрический дренаж – способ защиты, заключающийся в отводе блуждающих токов из анодной зоны защищаемого сооружения к их источнику. Дренажные установки, размещаемые в небольших металлических шкафах, являются удобным и эффективным методом защиты городских газопроводов от коррозии. Одна дренажная установка способна защитить до 5–6 км газопровода. На рис.2 представлена схема поляризованного дренажа ДП-63, в которой имеются контактор и диод. Когда потенциал газопровода незначительно превышает потенциал рельса, дренажный ток протекает по следующей цепи 1 – 3 – 5 – 6. При увеличении разности потенциалов через обмотку контактора замыкает нормально открытый контакт, и дренаж тока увеличивается. С уменьшением разности потенциалов контактор размыкает нормально открытый контакт. Если потенциал рельса будет выше потенциала газопровода, ток в дренажной цепи протекать не будет из-за односторонней проводимости диода.

Поляризованный электродренаж обычно подключают к рельсам электрифицированного транспорта, но его можно подключать и к отсасывающим пунктам.

Катодной защитой – способ защиты газопроводов от подземной коррозии за счет их катодной поляризации с помощью тока от внешнего источника. Установка катодной защиты состоит из источника постоянного тока (катодной станции), анодного заземления и соединительных электрокабелей.

а – простой; б – поляризованный; в – усиленный поляризованный.

1 – газопровод; 2 – отсасывающий фидер; 3 – предохранитель на малую силу тока; 4, 5 – обмотки контактора; 6 – рельс

Рис.2. Схемы электрических дренажей

Принцип действия катодной защиты показан на схеме с анодными заземлениями, равномерно установленными вдоль газопровода (рис.3). Регулировка защитного потенциала осуществляется путем изменения тока анодного заземления при помощи регулировочного сопротивления или любого другого устройства, обеспечивающего изменение тока в необходимых пределах. В случае выполнения заземлений из нескольких заземлителей регулировка защитного тока может осуществляться за счет изменения числа включенных заземлителей. В общем случае заземлители, ближайшие к преобразователю, должны иметь более высокое переходное сопротивление. Катодную поляризацию металлических подземных сооружений необходимо осуществлять так, чтобы создаваемые на всей их поверхности поляризационные защитные потенциалы были не менее 0,55В и не более 0,80В по отношению к неполяризующемуся водородному электроду, а также не менее 0,85В и не более 1,15В к медно-сульфатному в любой среде [3].

Потенциал неполяризующегося медно-сульфатного электрода по отношению к стандартному электроду принят равным 0,3В.

Протекторная защита – разновидность катодной защиты, нашедшая широкое применение. Необходимый защитный ток вырабатывается гальваническим элементом, роль катода выполняет металл защищаемого сооружения, анода – металл с более отрицательными, чем у защищаемого металла, потенциалами, а электролита – почва, окружающая газопровод и протектор.

1 – газопровод; 2 – источник постоянного тока; 3 – графитовый анодный заземлитель

Рис.3. Схема катодной защиты

Протекторная защита заключается в том, что катодная поляризация защищаемого газопровода достигается подключением к нему анодных заземлителей из металла, обладающего в данной грунтовой среде более отрицательным электрохимическим потенциалом, чем металл газопровода. Металлы, расположенные в ряду левее железа, имеют наиболее отрицательные электрохимические потенциалы и могут быть использованы в качестве анодных заземлителей для защиты от коррозии стальных газопроводов. Протектор представляет собой сплошной цилиндр из сплава алюминия, магния, цинка и марганца, в центре которого размещен стальной сердечник с выступающим концом для подключения провода. Активатор (заполнитель) состоит из смеси сернистых солей магния, натрия или кальция с глиной и создает вокруг протектора оболочку, растворяющую продукты коррозии протектора и снижающую переходное электрическое сопротивление от протектора к грунту. Контрольный пункт, устанавливаемый на отдельных протекторных установках, позволяет периодически контролировать действие установки. На рис.4 показано, что протекторная установка представляет собой гальваническую пару, в которой газопровод является катодом, а протектор – анодом. В результате за счет постепенной коррозии протектора сохраняется газопровод.

1 – газопровод; 2 – контрольный пункт; 3 – соединительный кабель;4 – активатор;

5 – протектор; 6 – стальной сердечник

Рис. 4. Схема протекторной защиты

Создание искусственной атмосферы. Этот метод применяют достаточно редко, в основном для трубопроводов большой протяженности. Это связано с большими транспортными затратами, трудностью его реализации (необходимо большое количество работников, техники, достаточно много времени). Протяженные подземные сооружения имеют возможность проходить через разные виды почв, что интенсифицирует коррозионный процесс. Суть метода заключается в том, чтоб создать однородный грунт по всей протяженности конструкции (засыпая, например, весь трубопровод песчаным грунтом) либо уменьшить агрессивность почвы на определенных участках. Для этого кислые грунты могут известковать [3].

Специальные методы укладки. Очень часто при прокладке трубопровода, а также других сооружений для защиты их от воздействия грунтовых вод, самого грунта используют специальные способы укладки.Трубопровод может быть помещен в специальный коллектор (при этом кабель укладывают на неметаллическую подкладку), защитный кожух (часто из железобетонных плит или металла).

Нержавеющие металлы. 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.

Список использованных источников

1. Колпакова Н. В.  Колпаков А. С. Газоснабжение : учеб. пособие / Колпакова Н. В.  и др. / под ред. Н. П. Ширяева ; Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : УрФУ, 2014. – 200 с. : ил.

2. ГОСТ Р 51164-98 Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии. – Введ. Постановлением Госстандарта России от 23.04.1998 г. №144 - М. : ИПК издательство стандартов, 1998. - 46 с. : ил.

3. Скафтымов Н. А. Основы газоснабжения / Н.А. Скафтымов / Репринтное воспроизведение издания 1975 г.- М.:ЭКОЛИТ, 2012. - 344 с. : ил.

9

Код для цитирования: Скопировать