Современные технологии защиты трубопровода от коррозии

  ВВЕДЕНИЕ

В процессе эксплуатации нефтепровод  подвергается коррозии, что приводит к его разрушению и вследствие чего может произойти потеря нефти  или нефтепродукта.

Еще до 21 века защита нефтепровода осуществлялась только пассивными  методами, т. е. покраской и нанесением битумной изоляции на наружной поверхности  трубопровода, но в связи с расширением  районов строительства, например в  северных направлениях, где в основном трасса трубопроводов проходит через  заболоченные, обводненные, засоленные участки, эффективность защиты трубопроводов  только покрытиями стала явно недостаточным. Поэтому для более эффективной  защиты трубопровода от коррозии начали применять комплексный метод  защиты от коррозии, который сочетает средства электрозащиты и изоляционные покрытия.

В своей курсовой работе для защиты от коррозии газопровода я использую пассивную и активную защиты. В качестве пассивной защиты я предлагаю применить новый тип изоляционного покрытия “Пластобит”

В связи с расположением  вдоль трассы нефтепровода железнодорожных  путей, которые являются источником блуждающих токов, в качестве активной защиты предлагаю использовать электродренажную и катодную защиты.

В настоящее время для  более эффективной защиты нефтепроводов  от коррозии выдвигают ряд научно-инженерных задач:

1. разработка теории и практики создания новых и усовершенствования существующих изоляционных покрытий с повышенными физико-механическими защитными и технологическими свойствами;
2. обеспечение круглогодичного ведения изоляционно-укладочных работ в различных климатических условиях;
3. развитие научных методов прогнозирования долговечности покрытий с целью выбора наиболее экономичных систем защиты нВ основе различных изоляционных материалов;
4. разработка новых и совершенствование существующих методов и средств электрозащиты.

1.  ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА

В своей курсовой работе я рассматриваю защиту магистрального газопровода от коррозии  диаметром 1420 мм и протяженностью 10 км Бованенково  — Ухта, входящая систему газопроводов Ямал-Европа.

Длина рассчитываемого участка  составляет 10 км – этот участок находится недалеко от Бованенковского месторождения. Бованенковское месторождения - гигантское газовое месторождение на полуострове Ямал.

На Ямале распространен  субарктический, а на севере — арктический  климат. Средние температуры января составляют от −23 до −27 градусов по шкале  Цельсия, июля — от +3 до +9. Количество осадков невелико: около 400 мм/год. Толщина  снежного покрова составляет в среднем 50 см.

Годовой слой стока на севере полуострова составляет 150 мм, на юге  — 300 мм. Реки замерзают к середине октября, вскрываются в начале июня, многие реки и озёра к концу  зимы промерзают до дна. Тип питания  рек снеговой. Половодье в июне.

Ямал находится в природной  зоне тундры, южная часть — в  лесотундре. Повсеместно распространена многолетняя мерзлота, талые грунты встречаются только под крупными реками и озёрами.

Среди почв преобладают подбуры, глеезёмы и торфяные почвы

Рельеф Ямала исключительно  ровный, перепады высот не превышают 90 м. Средняя высота полуострова  около 50-ти метров.

Особенностью района является: суровый климат (холодная длинная зима, прохладное короткое лето, сильные ветра), сильная заболоченность, особенно юго-западных и северо-восточных побережий; повсеместное распространение многолетней мерзлоты; высокий коэффициент увлажнения; отсутствие лесной растительности

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Виды коррозии и коррозионных разрушений

Виды коррозии

Самопроизвольное окисление  металлов, уменьшающее долговечность  изделий, называется коррозией (от позднелат. сorrosion – разъедание). Среда, в которой металл подвергается коррозии, называется коррозионной, или агрессивной. При этом процессе образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.

По характеру взаимодействия металла со средой различают два  основных типа коррозии: химическую и  электрохимическую.

Химическая коррозия происходит по законам кинетики химических реакций  металла с окружающей газообразной или жидкой средой. При этом продукты коррозии образуются непосредственно  на всем участке поверхности металла, находящемся в контакте с агрессивной  средой. С химическим механизмом протекают  следующие виды коррозионных процессов:

• газовая коррозия – окисление металла кислородом или другим газом при высокой температуре и полном отсутствии жидкостной пленки на поверхности металлического изделия (например, коррозия лопаток газовых турбин на компрессорных станциях газопроводов, образование окалины при нагреве и прокате металла);
• коррозия в неэлектролитах – разрушение металла в жидких или                           газообразных агрессивных средах, обладающих малой электропроводимостью (например, коррозия внутренней поверхности трубопроводов и аппаратуры при перекачке высокосернистых сортов нефти).

Электрохимическая коррозия – это окисление металла в  электропроводных средах, сопровождающееся образованием электрического тока. При  этом взаимодействие металла с окружающей средой характеризуется анодными и  катодными процессами, протекающими на различных участках поверхности  металла. Продукты коррозии образуются только на анодных участках. С электрохимическим механизмом протекают следующие виды коррозионных процессов:

• коррозия в электролитах – коррозия металлов в жидких средах, проводящих электрический ток; в зависимости от вида электролита различают коррозию в морской или речной воде, растворах кислот, щелочей и солей (кислотная, щелочная и солевая виды коррозии);
• почвенная коррозия – коррозия подземных металлических сооружений под воздействием почвенного электролита;
• электрокоррозия – коррозия металлического подземного сооружения, вызванная проникновением на сооружение токов утечки с рельсов электрифицированного транспорта или других промышленных электроустановок и сооружений;
• атмосферная коррозия – коррозия металлов в атмосфере воздуха или в среде любого влажного газа;
• биокоррозия – частный случай почвенной коррозии, протекающей под воздействием микроорганизмов, в результате которых образуются вещества, ускоряющие коррозионные процессы;
• контактная коррозия – коррозия вызванная электрическим контактом двух металлов, имеющих различный электрохимический потенциал.

Для основной массы металлов, эксплуатирующихся в атмосфере, морской и речной воде, а также  в почве, характерна электрохимическая  коррозия.

Помимо перечисленных  видов коррозии возможны также:

• коррозия под напряжением – при одновременном воздействии коррозионной среды и механических напряжений в металле;
• щелевая коррозия – ускорение коррозионного разрушения металла электролитом в узких зазорах и щелях (в резьбовых и фланцевых соединениях);
• коррозионная эрозия – при одновременном воздействии коррозионной среды и трения;
• коррозионная кавитация – при одновременном коррозионном и ударном воздействии окружающей среды (разрушение лопаток гребных винтов на судах, коррозия лопаток рабочих колес центробежных насосов).

Виды коррозионных разрушений

Процесс коррозии начинается с поверхности металлического сооружения  и распространяется в глубь него. При этом изменяется внешний вид  металла: на его поверхности образуются углубления (язвы, пятна), заполненные  продуктами коррозии. По характеру  коррозионного разрушения металлов различают следующие виды коррозии:

• сплошная – коррозия по всей поверхности металлической конструкции,   находящейся под воздействием коррозионной среды;
• местная – коррозия на отдельных участках поверхности металлической конструкции;

Сплошная коррозия может  быть:

• равномерной – протекающей с одинаковой скоростью по всей поверхности металлической конструкции (например, коррозия углеродистой стали в растворах серной кислоты);
• неравномерной – протекающей с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (например, коррозия углеродистой стали в морской воде).

Местная коррозия может быть следующих видов:

• пятнами – в виде отдельных пятен, диаметр которых больше

глубины прокорродировавшего слоя металла (например коррозия латуни в  морской воде);

•  язвенная – в виде отдельных каверн, диаметр которых соответствует их глубине (например, коррозия углеродистой стали в почве);

• точечная, или питтинговая – в виде  множества отдельных точек диаметром

0,1-2 мм (например, коррозия аустенитной хромоникелевой  нержавеющей стали в

морской воде);

• подповерхностная – коррозия, распространяющаяся преимущественно под поверхностью металла и его расслоение (например, образование пузырей на поверхности листового металла);

• структурно-избирательная – при которой разрушается главным образом только одна структурная составляющая сплава (например, графитизация чугуна, обесцинкование латуни);

• сквозная – сквозное разрушение металла (например, при дальнейшем развитии язвенной или точечной коррозии);
• межкристаллитная – распространяющаяся по границам кристаллов металла (этот вид коррозии, не меняя внешний вид поверхности металла, приводит к быстрой потере прочности);

• коррозионное растрескивание – образование коррозионных трещин вследствие коррозионной усталости металла и действия постоянных растягивающих напряжений.

Язвенная и точечная виды коррозии особенно опасны для трубопроводов  и резервуаров, так как они  быстро могут привести к сквозному  проржавлению стенок и, следовательно, к аварии, поскольку около каверн и питтингов происходит концентрация местных напряжений. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание особенно опасны для трубопроводов  и котлов высокого давления, тросов, валов машин и тонкостенных профилей, несущих силовую нагрузку.

2.2 Способы защиты трубопровода от коррозии

В связи с тем что  коррозия – естественный процесс, обусловленный  термодинамической нестойкостью металлов в эксплуатационных условиях, срок службы металлических изделий часто  бывает относительно коротким. Продлить его можно в основном четырьмя способами, которые широко используются в практике:

• изоляция поверхности металлических изделий от агрессивной среды;
• воздействие на металл с целью повышения его коррозионной устойчивости;
• воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности;
• поддержание такого  энергетического состояния металла, при котором окисление его термодинамически невозможна или сильно заторможено.

1) Первый способ носит  название пассивной защиты. К  нему относятся следующие методы:

• нанесение на поверхность металла слоя химически инертного относительно металла и агрессивной среды вещества с высокими  диэлектрическими свойствами. Этот метод является наиболее распространенным. Он предполагает использование различного рода мастик, красок, лаков, эмалей и пластмасс, жидких в момент нанесения, а затем образующих твердую пленку, которая обладает прочным сцеплением (адгезией) с поверхностью металла. К этому методу следует отнести также и специальные методы укладки, часто используемые для защиты подземных сооружений на территории городов и заводов (например, коллекторная прокладка, при которой подземные трубопроводы располагают в специальных каналах, изолирующим слоем в данном случае является воздушный зазор между стенкой трубопровода и каналом).
• обработка изделий специальными окислителями, в результате которой на поверхности металла образуется слой малорастворимых продуктов коррозии. Примером может служить образование нерастворимых фосфатов на поверхности стальных изделий (фосфатирование) или окиси алюминия на изделиях из алюминиевых сплавов;
• нанесение на изделие из малостойкого металла тонкого слоя металла, обладающего меньшей скоростью коррозии в данной среде (например, оцинкование, хромирование или никелирование стальных изделий);
• обработка металлических изделий растворами окислителей (пассиваторов) для перевода поверхностного слоя металла из активного состояния в пассивное, при котором резко уменьшается переход ионов металла в раствор и тем самым снижается интенсивность коррозионного процесса.

2) 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. Общую теорию коррозионного  легирования предложил Н.Д.Томашев.  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  коррозионные сплавы, например нержавеющие  стали, легированные хромом и  никелем.

3) Третий способ защиты  предусматривает дезактивационную  обработку агрессивной среды  путем введения 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 (деаэрации водных растворов, очистка воздуха от примесей и осушка его).

Обработкой коррозионной среды различными ядохимикатами  достигается значительное снижение интенсивности деятельности микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии  металлов.

При борьбе с подземной  коррозией осуществляется обработка  агрессивного грунта с целью его  гидрофобизации (несмачиваемости водой), нейтролизации и частичной замены на менее агрессивный грунт или  специальную засыпку. Последнее  мероприятие может быть квалифицировано  также как изоляции металла от прямого воздействия среды.

4) Четвертый способ носит  название активной защиты. К нему  относятся следующие методы:

• постоянная катодная поляризация изделия, эксплуатирующегося  в среде с

достаточно большой электропроводимостью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической  энергии, носит название катодной защиты. В некоторых случаях катодная поляризация может осуществляться  не постоянно, а периодически, что  дает ощутимый экономический эффект. При катодной защите изделию сообщается настолько отрицательный электрический  потенциал, что окисление металла  становится термодинамически невозможным;

• катодная поляризация, вызванная электрическим контактом изделия с металлом, обладающим более отрицательным электродным потенциалом, например стального изделия с магниевой отливкой. Более электроотрицательный металл в среде с достаточно высокой электропроводностью подвергается окислению, а следовательно, разрушается. Его следует периодически заменять. Такой металл называется протектором, а метод - протекторной защитой.

К этому методу можно отнести  мероприятия по борьбе с блуждающими  токами, которые ведутся по двум основным направлениям: предупреждение или уменьшение возможности возникновения  блуждающих токов на самом источнике  тока и проведение специальных работ  на защищаемом подземном сооружении. Мероприятия первого направления  – обязательная, но только начальная  мера. Независимо от их результатов следует проводить работы по защите самих подземных сооружений, к которым относятся использование высокоизолирующих совершенных покрытий, устройство электрических экранов, установка изолирующих соединений (фланцев) на трубопроводах, укладка трубопроводов в подземных коллекторах и каналах, электродренажная защита, катодная поляризация и др.

• анодная поляризация, которая в некоторых случаях способствует поддержанию пассивного состояния металла в средах, не пассивирующих металл и являющихся весьма агрессивными.

К способам защиты от коррозии часто относят использование  неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (асбоцемента, бетона, керамики, стекла, пластмассы и  т. д.). Однако изготовление изделий  из других материалов не может рассматриваться  как способ защиты от коррозии –  где нет металла, там нет и коррозии его.

2.2.1 НТД

Рассмотрим стандарт организации  СТО Газпром 2-2.1-249-2008 «магистральные газопроводы»

Защита газопроводов от подземной  коррозии, независимо от коррозионной агрессивности грунта и района их прокладки, должна осуществляться комплексно: защитными покрытиями и средствами электрохимической защиты.

В зависимости от конкретных условий прокладки и эксплуатации газопроводов следует применять  тот тип защитных покрытий, который  указан в разрешительной нормативной  документации, согласованной ОАО  «Газпром».

Покрытия труб должны отвечать требованиям СТО Газпром 2-2.3-130 и  СТО Газпром 2-2.2-178.

Противокоррозионная защита зоны сварных монтажных стыков изолированных  труб, монтажных и крановых узлов  выполняется материалами, уровень  показателей свойств которых  максимально приближены к свойствам  основного покрытия и допущенных к применению на объектах ОАО «Газпром».

Для защиты от коррозии при  строительстве и реконструкции  узлов газопроводов сложной конфигурации и подключающих шлейфов КС (ДКС) должны применяться материалы заводского или трассового нанесения, отвечающие Техническим требованиям.

Основные положения по применению противокоррозионных покрытий определяются условиями строительства  и эксплуатации объекта газопровода, которые включают:

- диаметр газопровода;

- проектную эксплуатационную  температуру газопровода;

- условия прохождения  газопровода;

- сезонный график проведения  строительно-монтажных работ;

- условия транспортировки  и хранения монтажных изделий  для строительства газопровода;

- нормативный срок службы  газопровода.

При проектировании объектов ОАО «Газпром» и организации  конкурсов на поставку трубных изделий  с покрытием, проведения работ по нанесению защитных покрытий в трассовых  условиях и/или поставку противокоррозионных  материалов должны учитываться существующие в ОАО «Газпром» технические  требования или отраслевые стандарты  на данные виды продукции и организации  проведения работ.

Электрохимическая защита подземных газопроводов

Система ЭХЗ - составная часть  линейной части газопровода, выполняющая  следующие основные технологические  функции:

- обеспечение эффективной  защиты газопровода от подземной  коррозии;

- контроль эффективности  противокоррозионной защиты.

Система ЭХЗ может включать:

- установки катодной защиты (в т.ч. преобразователи катодной  защиты, анодные заземления, кабельные  и воздушные линии к точкам  дренажа и анодным заземлениям);

- установки протекторной  защиты;

- установки дренажной  защиты;

- контрольно-измерительные  пункты и диагностические пункты;

- изолирующие вставки;

- электроперемычки;

- устройства регулирования  защитного тока;

- автономные источники  электроэнергии для катодной  защиты;

- средства телеконтроля и телеуправления УКЗ и средства коррозионного мониторинга.

При строительстве газопровода  до ввода в строй основных средств  ЭХЗ в качестве временной защиты следует использовать системы защиты на основе протекторов или от систем ЭХЗ, находящихся вблизи подземных  сооружений.

Установки катодной защиты

Места монтажа УКЗ следует  предусматривать рядом с линейными  кранами газопровода. УКЗ должны быть блочно-комплектного исполнения и предусматривать минимум строительно-монтажных  и пусконаладочных работ.

Преобразователи катодной защиты должны монтироваться в индивидуальных блок-боксах, защищающих преобразователи  от воздействия низких температур, обледенения, заноса снегом для районов  с арктическим климатом. Блок-боксы  с преобразователями и другими  элементами ЭХЗ по возможности следует  устанавливать в одном ограждении с крановой площадкой. В остальных  случаях преобразователи можно  монтировать в блочных устройствах. Допускается проектировать монтаж преобразователей на специальных фундаментах, анкерных опорах анодных линий и  линий электроснабжения. Конструкции  для размещения преобразователей в  районах с густой и умеренной  заселенностью должны быть вандалозащишенными. Электроснабжение УКЗ должно соответствовать 2-й категории надежности.

При проектном обосновании  должно быть обеспечено резервирование преобразователей УКЗ (установка резервного преобразователя).

В блок-боксы должны заводиться контрольные провода от электродов сравнения и датчиков коррозионного  мониторинга, установленных на трубе. Применяемые преобразователи должны иметь возможность регулирования  выходного напряжения не менее 48 В.

Электроснабжение УКЗ  может осуществляться от вдольтрассовых ЛЭП или автономных источников.

Расчет длины защитной зоны, необходимой силы тока преобразователя  и количества необходимых УКЗ  следует выполнять в соответствии с СТО Газпром 2-3.5-047.

Расчет параметров ЭХЗ  необходимо выполнять с учетом старения изоляции. При этом сопротивление  изоляции на 30-й год следует принимать равным 12150 Ом·м².[п. 16.2.2.8, СТО Газпром 2-2.1-249-2008]

При расчете параметров УКЗ  следует учитывать необходимую  дополнительную силу тока, расходуемую  на защитные заземления, датчики коррозии и вспомогательные электроды  датчиков поляризационного потенциала.

Анодные заземления

Анодные заземления в установках катодной защиты могут быть как глубинные, так и поверхностные (поверхностно распределенные). В глубинных заземлениях, состоящих из нескольких заземлителей расстояние между скважинами с глубинными заземлителями должно быть 0,3L, (L - глубина  скважины).

Глубину скважины для заземлителей следует определять с учетом анализа  геологического разреза; электроды  анодных заземлений должны монтироваться  в пластах с минимальным удельным электрическим сопротивлением.

Расчет количества элементов  анодных заземлений должен выполняться  в соотвествии с СТО Газпром 2-3.5-047.

Расчетный срок службы анодных  заземлений следует принимать в  соответствии с СТО Газпром 2-3.5-051.

При проектировании анодных  заземлений в скальных грунтах необходимо использовать результаты вертикальных электрических зондирований и результаты исследований кернов из параметрических  скважин.

Анодные линии следует  проектировать, как правило, кабелем  с медной токоведущей жилой и  двойной изоляцией, допускается  применение воздушных линий из сталеалюминевого изолированного провода. При проектировании анодных ВЛ учитывают ветровые нагрузки.

На горных участках, участках со скальным грунтом и в условиях вечной мерзлоты возможно применение протяженных анодных заземлений.

Протекторы

В проекте ЭХЗ газопровода  протекторы следует предусматривать:

- для основной защиты  кожухов (патронов) на переходах  под авто- и железными дорогами;

- временной защиты от  коррозии строящегося газопровода.

Необходимое количество протекторов  определяют расчетом в соответствии с СТО Газпром 2-3.5-047.

Дренажная защита

Необходимость дренажной  защиты следует определять по результатам  изысканий.

Установку УДЗ следует  проектировать в районах тяговых  подстанций и местах пересечения  газопровода с электрифицированной  железной дорогой. При удалении ЛЧ МГ от электрифицированной железной дороги на расстояние более 2 км для защиты от коррозии блуждающими токами следует  проектировать УКЗ с автоматическим поддержанием потенциала.

Контрольно-измерительные  пункты

Контрольно-измерительные  пункты располагаются в соответствии с требованиями СТО Газпром 2-3.5-051.

КИП для измерения силы тока в газопроводе должны быть смонтированы через 3-5 км ЛЧ МГ и с обеих сторон ВЭИ.

Электроды сравнения в  КИП должны быть долгодействующими, срок службы в условиях эксплуатации - не менее 10 лет.

Контрольно-измерительные  пункты подключаются к газопроводу  медным двужильным кабелем с двойной  изоляцией. Кабель присоединяется на одну отдельную клемму на клеммном щитке  КИП.

В качестве анодных заземлений системы катодной защиты должна предусматриваться, как правило, комбинированная система  глубинных анодов в сочетании  с протяженными (или распределенными) анодными заземлителями.

Защита надземных  газопроводов от атмосферной коррозии

Газопроводы при надземной  прокладке должны защищаться от атмосферной  коррозии лакокрасочными, стеклоэмалевыми, металлическими покрытиями или покрытиями из консистентных смазок.

Лакокрасочные покрытия должны иметь общую толщину не менее 0,2 мм и сплошность - не менее 1 кВ на толщину покрытия.

Толщина стеклоэмалевых покрытий должна быть не менее 0,5 мм, сплошность - не менее 2 кВ на толщину.

Консистентные смазки следует  применять в районах с температурой воздуха не ниже минус 60 °С на участках с температурой эксплуатации газопроводов не выше плюс 40 °С.

Противокоррозионную защиту опор и других металлических конструкций  надземных газопроводов следует  выполнять в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81.

2.3 Выбор способа защиты трубопровода от коррозии

Для защиты трубопровода Бованенково-Ухта диаметром 1420 мм от коррозии используем пассивную и активную защиту.