ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБРАЗОВАНИЯ КОРРОЗИИ НЕФТЕПРОВОДОВ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 62

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБРАЗОВАНИЯ КОРРОЗИИ НЕФТЕПРОВОДОВ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

ГАЛЫМОВ ДАУРЕН ГАЛЫМОВИЧ

Магистрант Западно-Казахстанского инновационно-технологического университета

Уральск, Казахстан

Аннотация. В статье приведены общие понятия коррозии нефтепроводов, классификация коррозионных поражений нефтепроводов и резервуаров, факторы коррозионного разрушения нефтепроводов, анализ основных методов борьбы с коррозией нефтепроводов

Ключевые слова: коррозия, катодный и анодный процесс, трубопровод

Коррозия - это разрушение металлов и некоторых других твердых тел, вызываемое химическими и электрохимическими окислительно-восстановительными процессами при взаимодействии с окружающей средой, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл - компоненты окружающей среды. Главными причинами снижения ресурса практически всех видов нефтеперерабатывающего оборудования являются коррозионные повреждения и их эрозионно-механический износ.

Существуют различные определения коррозии, определение, используемое NACE International (NACE), основной вспомогательной организацией в коррозионной промышленности, - это «Ухудшение состояния материала, обычно металла, которое возникает в результате реакции с окружающей средой». Что касается коррозии трубопроводов, то этот металл представляет собой линейно-трубную сталь, состоящую в основном из железа с одним-двумя процентами сплава по прочности и ударной вязкости В отношении внешней коррозии, окружающая среда будет представлять собой грунтовые воды или влажную почву для наземных трубопроводов и морскую воду для морских трубопроводов. Для внутренней коррозии окружающей средой будет вода, содержащая хлорид натрия (соль), сероводород и/или углекислый газ. Ухудшение будет заключаться в растворении железа в окружающей среде, что снижает прочность трубопровода. Когда железо растворяется, оно превращается в положительно заряженный ион.

Основой образования коррозии является анодная реакция (формула 1). Процесс представлен на рисунке 1:

Fe^Fe+++2e - (1)

Электроны, полученные в результате реакции, перемещаются по металлической трубе в другое место, где они в свою очередь, расходуются в реакции, которая производит гидроксильные ионы. Специфическая реакция зависит от природы электролита, но обычно представляет собой одну из следующих:

02+2Я20+4е -^40Н- (2) 2Н20+2е -^Н2+20Н- (3)

Реакции, представленные выше, называются катодными. Движение ионов через электролит завершает электрическую цепь. Ионы железа обычно вступают в реакцию с водой или кислородом и образуют осадок называемый ржавчиной или же в некоторых случаях образование какого-либо оксида железа в осадке. Анодный и катодный компоненты коррозионной ячейки могут находиться рядом друг с другом или разделены большими расстояниями

Return Path (metallic)

Electron Flow —►

Electrolyte

Anode - ions + ions Cathode

Рисунок 1 - Элементарная коррозионная ячейка

Процесс коррозии начинается с поверхности металла и проникает внутрь материала. В результате происходят изменения минерала: на его поверхности происходят химические процессы, образующие углубления (пятна, свищи, язвы), которые заполнены продуктами коррозии, в основном Fe2Oз. На рисунке 2 представлена классификация по характеру коррозионного повреждения металла.

растрескнвани

Рисунок 2 - Характер коррозионных разрушений

В современные науки существуют несколько классификаций как по механизму протекания химической коррозии, окислительно-востановительные реакции лежат в большинстве коррозионных процессов. Разлагающийся металл является восстановителем, окисляясь. При температуре выше 300 °С железо будет свободно окислятся с кислородом, а сероводород при чуть меньшей температуре равной 260 °С и выше. При наличии влаги энергия активации чуть ниже чем в отсутствии влажного климата, молекул воды, изменяется и механизм всей реакции. С коррозией трубопровода и металла немного все иначе, так как это является электрохимической реакцией. Так как основные кинетические законы реакций отличаются вот химических, то затормозить коррозию практически невозможно

Так же ученные создали классификацию поражения трубопроводов. По характеру они разделяются на общую, местную или локализованную. Общаякоррозия, распространяющаяся по всей поверхности изображена на рисунке 3.

I

}

3

* >

I

J

Рисунок 3- Общая коррозия на поверхности трубопровода на участке разрушенной

изоляции

Если скорость коррозии на всех участках одинакова, то она считается равномерной, неравномерной если наблюдаются разные размеры поражения на определенном участке.

Общая коррозия считается менее опасной чем другие виды коррозии, так как, выявления участков происходит под наблюдением дефектоскопистов и является не сложным процессом. Если же скорость коррозии равномерная, то за счет увеличения уплотнения стенки трубопровода можно добиться надежной эксплуатации трубопровода. Основная опасность общей коррозии направлена на уменьшении толщины стенки, что в дальнейшем приведет к минимизации предельной нагрузки конструкции, и соответственно к пластической деформации всего участка трубопровода, что не желательно для производства. Язвенная коррозия, наиболее характерная для магистральных трубопроводов и резервуаров, и является локальным видом поражения. Язвенная коррозия - это разрушение поверхности, которое развивается на отдельных участках, причем площадь пораженной поверхности, как правило, превышает ее глубину.

Как и общую коррозию, язвенную легко обнаружить визуально. При проведении ультразвуковой дефектоскопии резервуаров и трубопроводов участки с язвенным поражением могут не попасть в область дефектоскопа и остаться незамеченными. Соответственно язвенное поражение опаснее общего. Так же, как и неравномерная общая коррозия, язвенная может привести к появлению свища. Язвенная коррозия развивается обычно с внешней стороны трубы под слоем изоляции или, чаще, на участках разрушенной изоляции. На внутренней поверхности труб в участках скопления электролита из транспортируемого продукта иногда появляются язвы, напоминающие ручейки - поражение протяженной формы. Часто такой вид коррозии называют ручейковой или канавочной, хотя, строго говоря, это - язвенное поражение. Оно характерно для внутри промысловых трубопроводов и на магистральных практически не встречается. Питтинговая (точечная) коррозия - вид локального разрушения, при котором глубина пораженного участка несоизмеримо велика по сравнению с его площадью.

Питтинговая коррозия развивается на пассивированых участках при локальном нарушении этого состояния. Иногда она встречается на дне резервуаров, с покрытием из карбонатных отложений. Такой вид коррозии чаще встречается в нержавеющих сталях. Щелевая коррозия - поражения которые можно встретить в зазорах и щелях. Для нее характерна быстрая скорость развития

Наиболее опасный вид коррозии является растрескивание. Под действием активной среды и растягивающих нагрузок появляется такой тип разрушений. Скорость роста очень маленькая на первых этапах, но с появлением максимальных размеров происходит большой

рост, который приводит к серьезной проблеме аварийной ситуации на производстве. Такой вид встречается в магистральных трубопроводах. Помимо этого, существует еще целый ряд локальных коррозий к ним относится: межкристальная, очень маленькая толщина пораженного участка и другие. Еще можно классифицировать поражения по характеру коррозионной среды, например, атмосферная коррозия которая появляется под действием атмосферного воздуха на металл или же грунтовая коррозия, под действием почв и грунтов, есть много разновидностей такие как морская, щелочная и многое другое

С увеличением содержания воды в добыче нефтяных скважин, эмульсия нефти и воды будет рассортирована, и вода появится как отдельная фаза. Образование водного слоя на металле активирует процесс коррозии, а сила коррозионного процесса зависит не только от минерализации воды, но также от наличия или отсутствия смеси таких компонентов, как сероводород, диоксид углерода, кислород, сульфид железа и др. Такие высокообводненные скважины с содержанием воды в продукции более 75-80% составляют в настоящее время большую часть действующего фонда нефтяных скважин. Сточные воды, содержащие сероводород, являются наиболее агрессивными. Увеличение обводненности способствует увеличению скорости сероводородной коррозии. Сульфид железа является катодом по отношению к стали и образует с ней электрическую пару. Это приводит к дальнейшей активации электрохимического процесса по разрушению минерала скважинного оборудования.

Немалое влияние на скорость сероводородной коррозии насосных штанг и НКТ оказывает давление среды. В сероводородсодержащих скважинах одним из видов разрушения НКТ и штанг является сульфидное растрескивание в сочетании с различными видами механического воздействия на внутрискважинное оборудование. При эксплуатации скважин с помощью СШНУ совместное воздействие на оборудование повторно-переменных нагрузок и электрохимической коррозии вызывает коррозионно-циклическое усталостное разрушение металла оборудования.

По данным замера скорость коррозии в выкидных линиях скважин не превышают 0,1 мм/год, однако фактическая скорость питинговой коррозии металла в скважинном оборудовании значительно выше. Например, на отдельных скважинах, где подается ингибитор коррозии, разгерметизация по причине коррозии НКТ скважин, оборудованных УЭЦН, происходила на месторождении за 6-8 месяцев. Если не принимать меры защиты оборудования от коррозии, то в скважинах закачки сточной воды в результате двухстороннего воздействия агрессивной среды появляются сквозные отверстия в НКТ в течение одного года и менее. Характер коррозионного разрушения показан на рисунке 4.

Рисунок 4- Наружная коррозия трубопровода под землей на месте пересечения его с

воздушной линией электропередач

Жаропрочностью называют способность материала сохранять при высоких температурах достаточно высокие прочностные свойства. Обычно считается, что материал

может работать до такой температуры, при которой кратковременная прочность составляет не менее 0^в (предела прочности) при комнатной температуре.

На основании нормативных технических документов магистральные трубопроводы должны иметь комплексную защиту от коррозии, кроме надземных трубопроводов. В состав комплексной защиты входят пассивные и активные защиты, т.е. изоляционное покрытие и средства электрохимической защиты, несмотря на влияние разных величин коррозионной агрессивности грунта. Целью данной защиты является поддержание безаварийной работы магистрального трубопровода на весь срок службы (период эксплуатации).

На время своей «службы» у стальных конструкций, таких как резервуары и магистральные трубы возникают такие дефекты, которые связаны с коррозией. Из-за них появляется вероятность возникновения аварий на работающем магистральном трубопроводе, что повлечет за собой остановку транспортируемого продукта к потребителю. Здесь лежит причина в том, что большинство дефектов влияют на технические параметры, а именно долговечность и надежность. Многолетние практики и исследования показывают, что влияние коррозии на внешнюю поверхность магистрального трубопровода зависит от двух факторов. Первым фактором выступает химический состав и физическое состояние грунта и почв. Второй фактор - это биолого-химические процессы, влажность и температура

Магистральные трубопроводы в основном проложены подземным способом, поэтому они всегда контактируют с землей, соответственно находятся под влиянием свойств грунтов и почв. В данном случае, земля у нас выступает как электролит.

Основываясь на вышеперечисленное, можно сделать вывод о том, что грунт и почва относятся к виду электрохимической коррозии, вследствие имеющей влаги. Она создает условия для протекания электрохимической реакции, выступая как «электролит с грунтом». Данный вид коррозии является химической реакцией между раствором электролитом и металлом, иными словами вид коррозионного разрушения, который наблюдается при электрическом контакте металла и коррозионной среды. Сам процесс протекает не одновременно. Электрохимическая коррозия происходит на поверхностях металлов из - за окисления в электролите - коррозионной среде. В качестве электролита могут быть морская и грунтовая вода, вода рек, щелочей, растворы кислот, болот, солей и т.д. Основная особенность этого вида является то, что сам процесс протекает с помощью тока электрического. Данная коррозия в использовании подземного трубопровода более подвержена ему, а именно на наружных поверхностях резервуаров и трубопроводов, воздействующими атмосферными и почвенными электролитами.

Под понятием подземной электрохимической коррозии подразумевают разрушение металлической части сооружения в результате электрохимической взаимодействии его с электролитической средой (в данном случае - почвенный электролит). Существует такое понятие как скорость коррозии металлической конструкции в почве. Она классифицируется внешним и внутренним фактором В данном случае интенсивность скорости коррозии зависит от всяких факторов (свойств): температура среды, пористость грунта, влажность грунта, удельное электрическое сопротивление грунта, структуры и воздухопроницаемости.

Воздухопроницаемость грунта зависит от его гранулометрического состава, самой структуры и влажности. Грунт состоит из мелких твердых частиц и чем меньше их величины, тем труднее будет доступ кислорода к поверхности трубопровода, иными словами затрудняется образование коррозионных пар. Хотелось бы добавить минерализацию грунтовых вод. Это относится к внешним факторам. К внутренним факторам можно отнести: сама природа металла, поверхность металла, состояние кристаллической решетки металла.

Всем известно, что каждый металл имеет свои особенности, если смотреть на саму природу металла. Доказано, что металлы, имеющие высокие значения электрохимического потенциала являются более коррозионностойкими, чем другие металлы, имеющие низкий электрохимический потенциал. Следовательно, металлы, которые обладают более низкими значениями потенциала, являются менее коррозионностойкими.

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

На скорость коррозии также влияет состояние поверхности металла. При грубой обработке металл более подвержен коррозии, а значит, при аккуратной шлифовке металл коррозионностоек. Можно сказать, что если состояние металла будет близок к однородной поверхности, то он будет более коррозионностойким. Кристаллическая структура металла в разных сплавах может иметь дефекты, которые обладают повышенной реакционной способностью, а наличие таких посторонних примесей в сплавах.

Электрохимическая коррозия, образующаяся на поверхности металла, связана с работой гальванических элементов. Основная причина - поверхность металла неоднородная из-за увлажнения, каверн, примесей, пор, трещин и т.п. На основе этого образуются участки с разным электрохимическим потенциалом на поверхности металла. Видно, что образуются участки, имеющие меньший и больший отрицательный потенциал (катод и анод) на поверхности металла. Впоследствии образуются коррозионные пары. Электролит при взаимодействии с металлов приводит к двум электронным процессам: катодный и анодный. Процесс анодный-переход в раствор электролита ионов металла, где протекает гидратация. А к катоду возвращаются оставшиеся электроны. В итоге происходит разрушение металла на аноде.

На практике выявлено, что большинство аварий магистральных газопроводов из-за грунтовой или почвенной коррозии обнаруживаются при длительной эксплуатации самой трубы. Следовательно, чем больше наработка, тем больше вероятность образования такого дефекта, как почвенная или грунтовая коррозия. На основании нормативного технического документа ГОСТ 9.602-2016 определяется удельное сопротивление грунта, как в трассовых условиях, так и в лабораторных. Для этого понадобится измерить силу тока между двумя примыкающими электродами, которые лежат в грунте. На значение удельного электрического сопротивления грунта влияют гранулометричность и соленость грунта, а также ее влажность, структура и температура.

- подземная биокоррозия - это коррозия, разрушение которого происходит на основе влиянии живых микроорганизмов;

- подземная электрокоррозия - это коррозия из - за блуждающих токов разрушение которого происходит на основе влиянии блуждающего тока. Это происходит, когда с железнодорожных дорог стекает ток с рельса на грунт, попадая на наружную поверхность магистрального трубопровода;

коррозия контактная - это вид коррозии, при котором коррозионная стойкость двух разных по свойствам металлов имеет различные значения потенциала на границе контакта в присутствии электролита.

Источниками блуждающих токов являются:

- железные дороги, имеющую тягу на постоянном токе, при условии, что ходовые рельсы применяются на них, чтобы была возможность обратного протекания тока;

- трамвайные линии, при которых верхняя часть имеет контактный провод;

- промышленный, карьерный и рудничный транспорт;

- промышленные установки, сети электроснабжения на постоянном токе и высоковольтные линии;

- агрегаты, которые процесс работы при постоянном токе в речных и морских портах, сварочные аппараты;

- сети телефонной и телеграфной связи на постоянном токе и системы транспортной сигнализации;

- Катодная защита для борьбы с коррозией (наложения тока включена от постороннего источника, усиленного дренажа и станции дренажа).

Обратная полярность существует, когда магистральный трубопровод находится под влиянием блуждающего тока относительно земли. С точки зрения науки химии, коррозия основывается по закону электролиза, а именно что когда трубопровод, находясь под землей, пересекает электрифицированную дорогу, то он попадает в зону влияния блуждающего тока.

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

На скорость распространения и развития коррозии из-за блуждающих токов влияют такие 26 условия как, совпадение коррозионной пары (из-за несплошности материала трубы) с анодной зоной и почвенная коррозия. Они лишь усугубляют процесс развитие коррозии трубы магистрального.

Водопроницаемость и влагоемкость грунтов и почв зависит от их пористости и структуры. Определение естественной влажности грунта является отношение объемная масса воды в грунте к массе самого грунта, который высушен до неизменной массы. Если есть понятие как влажность грунта, то существует также понятие влажность почвы. Определение этого понятия заключается в том, что какова степень заполнения водой внутри почвы. Чтобы найти эту степень, необходимо вычислить отношение количество воды к массе твердого сухого вещества. Понятие влажность подразумевает тот смысл, что если содержание влаги в грунте или почве будет увеличиваться со временем, то снижается удельное электрическое сопротивление, вследствие чего, приводит к развитию и процессу протекания коррозий на внешней стенке трубы.

Характерность структуры грунта является пространственной локальной части грунта. Выделяется формой, размером, количественным и качественным соотношением составляющих структуры грунта, характером поверхности и связи. Разновидность грунтов классифицируется в зависимости характерности структуры связи самого грунта: мерзлые грунты - это с криогенными структурными связями; дисперсные грунты - это с механическими структурными связями; скальные грунты - это с жесткими структурными связями; грунты, имеющие водно-коллоидные связи.

К участкам повышенной коррозионной и техногенной опасности относят подземные участки труб:

- в поливных, черноземных, заболоченных и болотистых грунтах;

- бытовых и промышленных стоков, шлаков и свалок мусора;

- в любых районах страны, имеющие засоленные грунты (солончаковые, солонцы, солоды, соры и др.) и содержащие водорастворимые соли более одного грамма на один килограмм грунта;

- на поймах реки в подводных переходах;

- на территориях ПХГ, УКПП, КС, ГПЗ, ГРС;

- на пересечении с разными трубами и в обе стороны на 100 м от места пересечения труб;

- с блуждающими токами от источника постоянного тока;

- имеющие температуру продукта свыше 40 °С.

Большинство металлов (исключая благородные) термодинамически неустойчивы на воздухе и в атмосфере других газов при обычных условиях. С повышением температуры степень термодинамической нестабильности несколько снижается, скорость реакции взаимодействия в различной степени возрастает. В отличие от электрохимической коррозии при химическом взаимодействии металла с газовой средой продукты коррозии образуются непосредственно в зоне реакции.

Процессы газовой коррозии - это многоступенчатые гетерогенные процессы, которые протекают на границе раздела металл-газ. Пленки на металле, возникающие во время коррозии, то есть продукты реакции металла и окислительной среды, могут предотвратить или замедлить процесс коррозии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдуллин И.Г. Коррозионное растрескивание магистральных газопроводов / И.Г. Абдуллин, А.Г. Гареев, М.А. Худяков [и др.] // Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане. - Уфа: Гилем, 2003. - С. 150- 161.

2. Блябляс А. Н. Модернизация технических средств защиты промысловых трубопроводов от внутренней коррозии/ А.Н. Блябляс //Химическая физика и мезоскопия. 2016. Том 18, №3

3. Научные проблемы и перспективы нефтегазовой отрасли в СевероЗападном регионе России: Науч.-техн. сб. в 4 ч. Ч. 3. Транспорт газа/ Филиал ООО «ВНИИГАЗ» «Севернипигаз». - Ухта, 2005. - 244 с.

4. Салманов В.Н. Борьба с коррозией в нефтяной промышленности // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. LIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 11(58). URL: https://sibac.info/archive/technic/11(58).pdf (дата обращения: 01.06.2022)