Коррозия и защита наружной поверхности стальных трубопроводов в природных средах


О. В. Шингаркина, А. Б. Лаптев







КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ


Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

  УДК620.197:622.69
  ББК 34.66

     Ш62




Рецензенты:

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела стали, сварки и защиты от коррозии филиала «НИИСПТнефть» ООО «НИИ Транснефть» К. М. Гумеров;
доктор технических наук, профессор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина В. Н. Малышев






       Шингаркина, О. В.
  Ш62 Коррозия и защита наружной поверхности стальных трубопроводов в природных средах : учебное пособие / О. В. Шингаркина, А. Б. Лаптев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 288 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1008-3

           Приведены основные сведения по коррозии и защите наружной поверхности трубопроводов, в том числе рассмотрены применяемые защитные материалы и покрытия, а также методы электрохимической защиты.
           Для студентов нефтегазовых направлений подготовки, а также для широкого круга инженерно-технических работников нефтяной и газовой промышленности.



                                                    УДК 620.197:622.69
                                                    ББК 34.66







  ISBN 978-5-9729-1008-3  © Шингаркина О. В., Лаптев А. Б., 2022
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение...................................................... 6

Глава 1. Атмосферная коррозия металлов........................ 7
     1.1. Виды и особенности атмосферной коррозии металлов....   7
     1.2. Влияние различных факторов на скорость атмосферной коррозии металлов....................................... 10
     1.3. Влияние химических примесей в атмосфере на скорость коррозии металлов............................................ 16
     1.4. Влияние твердых частиц и аэрозолей в атмосфере на коррозию металлов................................................ 20
     1.5. Влияние климатического фактора на процесс коррозии металлов 23
     1.6. О моделировании атмосферной коррозии............... 30
     1.7. Особенности коррозии и защиты в замкнутом пространстве и с ограниченным обменом воздуха........................ 34
     1.8. Особенности коррозии металлов в морской атмосфере... 39

Глава 2. Коррозиявводныхсредах............................... 41
     2.1. Особенности коррозии металлов в водных средах...... 41
     2.2. Коррозия металлов в морской воде................... 48
     2.3. Влияние различных факторов на морскую коррозию металлов . 55
     2.4. Способы защиты металлов от коррозии в морской воде.. 61

Глава 3. Коррозия и защита металлов в почвах и грунтах....... 65
     3.1. Характеристика грунтов и почвенно-грунтового электролита . . 65
     3.2. Особенности подземной коррозии металлических конструкций 75
     3.3. Влияние различных факторов на коррозию металлов.... 85
     3.4. Коррозия блуждающими токами........................ 91
     3.5. Стресс-коррозия подземных газопроводов............. 96
         3.5.1. Условия формирования коррозионных трещин..... 97
         3.5.2. Кинетика катодного наводороживания трубной стали . . . 108
         3.5.3. Механизм стресс-коррозионных разрушений..... 111
     3.6. Методы защиты подземных трубопроводов от коррозии... 118

Глава 4. Защитные покрытия подземных трубопроводов.......... 120
     4.1. Мастичные изоляционные материалы и покрытия....... 120
         4.1.1. Мастики на битумной основе.................. 120
         4.1.2. Битумно-резиновыемастики.....................124
        4.1.3. Изоляционные материалы на основе каменноугольных пеков............................................... 131
        4.1.4. Парафиновые и петролатумные мастики, консистентные смазки.............................................. 133
         4.1.5. Армирующие и оберточные материалы для мастичных защитных покрытий....................................135


3

     4.2. Полимерные покрытия................................ 139
         4.2.1. Покрытия пленочного типа..................... 139
         4.2.2. Покрытия экструдированным полиэтиленом....... 142
         4.2.3. Эпоксидные покрытия.......................... 144
         4.2.4. Полиуретановые покрытия...................... 145
     4.3. Комбинированные полимерно-битумные защитные покрытия . 145
     4.4. Антикоррозионный материал "Асмол".................. 151
         4.4.1. Защитные свойства материала "Асмол".......... 151
         4.4.2. Изоляционные материалы на основе "Асмола".... 164

Глава 5. Катодная защита наружной поверхности подземных и подводных трубопроводов внешним током.......................... 170
     5.1. Общаяхарактеристика................................ 170
     5.2. Конструкции станций катодной защиты................ 172
     5.3. Исходные данные и последовательность проектирования.174
     5.4. Принципы расчета станций катодной защиты........... 174
         5.4.1. Введение в раздел............................ 174
         5.4.2. Расчетные формулы СКЗ бесконечной длины...... 176
         5.4.3. Расчетные формулы СКЗ конечной длины......... 177
     5.5. Катодные станции с высокочастотным преобразованием.. 177
     5.6. Технические характеристики современных катодных станций типаКСЭР............................................... 178
     5.7. Критерии электрохимической защиты от коррозии...... 185
         5.7.1. Минимальный защитный потенциал............... 186
         5.7.2. Сдвиг потенциала как критерий защиты......... 188
         5.7.3. Максимальный защитный потенциал.............. 188
         5.7.4. Контрольные пластины......................... 189
         5.7.5. Измерение поляризационных потенциалов........ 190
     5.8. Анодныйзаземлитель................................. 193
         5.8.1. Общая характеристика......................... 193
         5.8.2. Влияние глубины заложения на сопротивление растеканию вертикальных заземлителей..................... 195
        5.8.3. Влияние подсаливания грунта на переходное сопротивление заземлителя.................................... 196
         5.8.4. Глубинные анодные заземлители................ 196
         5.8.5. Расчет анодного заземления................... 197
         5.8.6. Конструкция поверхностного анодного заземлителя .... 198
     5.9. Совместная катодная защита нескольких трубопроводов. 199
    5.10. Особенности катодной защиты морских трубопроводов...201
    5.11. Протекторная защита.................................201

Глава 6. Коррозия, вызываемая блуждающими токами, и способы защиты................................................... 204
     6.1. Введение в раздел...................................204
     6.2. Первичные параметры рельсовой сети..................205


4

     6.3. Вторичные параметры рельсовой сети железных дорог, электрифицированных на переменном токе..................206
     6.4. Первичные и вторичные параметры трубопроводов.....207
     6.5. Распределение токов и потенциалов в рельсовой сети железной дороги, электрифицированной на постоянном токе......209
     6.6. Критерии опасности коррозии, вызываемой блуждающими токами, и требования к выбору средств защиты ПМС........212
     6.7. Предупреждение утечек тока с рельсовой сети.......213
     6.8. Обнаружениеблуждающихтоков........................214
     6.9. Определение наличия блуждающих токов в земле......216
    6.10. Принцип действия электродренажной защиты..........217
    6.11. Типы электродренажных установок...................222
    6.12. Совместная дренажная защита.......................224
    6.13. Поляризованныепротекторныеустановки...............226
    6.14. Электрическое секционирование.....................228
    6.15. Эксплуатацияустройствдренажнойзащиты..............230
    6.16. Расчетдренажнойзащиты.............................231

Глава 7. Контроль состояния и ремонт изоляции магистральных трубопроводов............................................... 234
     7.1. Определение состояния новых изоляционных покрытий на вводимых в эксплуатацию участках трубопроводов.......234
     7.2. Определение состояния изоляционных покрытий и методы обнаружения дефектов на действующем подземном трубопроводе .................................................. 244
        7.2.1. Установки контроля изоляции подземных трубопрово-
              дов и кабелей.................................244
        7.2.2. Определение оси трассы трубопровода и глубины его залегания......................................... 248
        7.2.3. Цель и содержание работ по обследованию состояния изоляционного покрытия участка трубопровода.........250
        7.2.4. Определение дефектных мест в изоляционном покрытии магистрального трубопровода........................252
        7.2.5. Контроль состояния изоляции подземных трубопроводов в шурфах.....................................256
        7.2.6. Оценка состояния и ресурса изоляционных покрытий трубопровода...................................... 259
     7.3. Ремонтизоляционныхпокрытий........................261
        7.3.1. Термоусаживающиесяленты......................270

Заключение..................................................284
Список литературы.......................................... 285


5

            ВВЕДЕНИЕ



     В настоящее время в промышленно развитых странах все более острой становится проблема сокращения потерь металла от коррозии. Это налагает на специалистов в области коррозии и защиты металлов особую ответственность за изучение и внедрение в промышленность новейших достижений науки.
     По вопросам коррозии и защиты металлов в Уфимском государственном нефтяном техническом университете опубликован ряд монографий, учебных и методических пособий. Однако в связи с переходом на двухуровневую подготовку студентов, переработкой учебных планов и рабочих программ возникла необходимость пополнения библиотечного фонда новыми учебными пособиями, отвечающими новым требованиям ГОС.
     В настоящем издании отражены последние достижения в области изучения коррозии и защиты от коррозии подземных трубопроводов. В достаточно сжатой форме описано коррозионное поведение сталей в окружающей трубопроводы среде, антикоррозионные свойства и основные технологические особенности изоляционных покрытий.
     При подготовке книги в качестве опорных использованы материалы, освещенные в трудах известных ученых-коррозионистов В. В. Притулы, А. А. Герасименко, В. В. Чистякова, В. А. Орлова, Ф. М. Мустафина, М. В. Кузнецова, Л. И. Быкова, Н. М. Черкасова, И. Ф. Гладких и других, а также современные разработки российских фирм (ООО НПВП "Электрохимзащита" (г. Уфа), ООО ПП "Контини-ум" (г. Уфа), ООО НИЦ "Поиск" (г. Уфа).
     Настоящее учебное пособие, по мнению авторов, будет полезно студентам, а также научным сотрудникам и работникам предприятий нефтегазового комплекса, специализирующимся в области защиты от коррозии трубопроводов и других металлоконструкций различного назначения.
     Авторы будут благодарны за критические высказывания и пожелания по содержанию книги и желают успехов всем работникам нефтяной и газовой промышленности за личный вклад в дело совершенствования техники и технологии развивающихся отраслей экономики России.

6

                ГЛАВА 1 АТМОСФЕРНАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ





            1.1. ВИДЫ И ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ


     Атмосферная коррозия металлов — наиболее распространенный вид коррозии, которая зависит от степени увлажненности поверхности металлов. Наземные трубопроводы широко распространены в различных отраслях промышленности и сферах деятельности человека. Это межцеховые и внутрицеховые, городские и поселковые коммуникации, нефтегазопромысловые трубопроводы, участки газонеф-тепроводов, примыкающие к насосным и компрессорным станциям, и многочисленные трубопроводы различного диаметра и назначения. По степени увлажненности атмосферную коррозию подразделяют на три типа:
     1)     мокрая атмосферная коррозия (при относительной влажности воздуха 100 %) — при наличии видимой пленки влаги на поверхности металла;
     2)     влажная атмосферная коррозия — при наличии на поверхности металла невидимой пленки влаги, которая образуется при капиллярной, адсорбционной или химической конденсации;
     3)     сухая атмосферная коррозия — при полном отсутствии влаги на поверхности металла.
     В реальных условиях все эти типы коррозии взаимно переходят друг в друга. Характер изменения скорости атмосферной коррозии в зависимости от толщины пленки влаги показан на рис. 1.1. Эта скорость изменяется от нуля для сухой атмосферной коррозии, достигает максимума для влажной атмосферной коррозии и снижается до некоторого постоянного значения, характеризующего скорость коррозии данного металла в электролите.

7

     Состав сухого атмосферного воздуха у поверхности Земли приведен ниже:

Газы                                                   Содержание, % об.
N₂................................................................78,09
О₂................................................................20,95
Аг................................................................ 0,93
СО₂................................................................0,03
Ne.............................................................1,8 •   10 “³
Не............................................................5,24  • 10~⁴
Кг...............................................................1 •   10 ~⁴
Н₂.............................................................. 5 •   10 ~⁵
N₂O..............................................................5 •   10 ~⁵
Хе.............................................................. 8 •   10 '’
О₃...............................................................1 •   10 '’
Rn...............................................................6  • 10 ~¹⁸

     Количество водяных паров колеблется от 0,1 до 2,8 % в зависимости от сезона, климата и почвы. В относительно чистой атмосфере (сельская местность) коррозионная активность определяется наличием кислорода (деполяризатора) и воды.
     В промышленной атмосфере могут присутствовать такие газы, как SO3, С1₂, может отмечаться повышенное содержание СО и СО₂, что влияет на ускорение коррозии металлов.
     Приблизительно 80 % металлоконструкций эксплуатируется и хранится в атмосферных условиях. В нефтегазовой промышленности атмосферной коррозии подвергаются наружные поверхности наземного оборудования — вышки, резервуары, теплообменники, сепараторы, а также трубы и другое оборудование при их эксплуатации или хранении на воздухе.
     Механизм атмосферной коррозии включает электрохимическую (мокрую и влажную) и химическую (сухую) коррозию. Мокрая и влажная атмосферная коррозия протекают в основном с кислородной деполяризацией (по данным И. Л. Розенфельда).
     Особенность атмосферной коррозии металлов — малая толщина слоя электролита на поверхности металла (вода + соли + продукты коррозии). В связи с этим кислород воздуха достаточно легко проникает к поверхности корродирующего металла.
     Отсюда следует, что с уменьшением толщины слоя электролита катодный процесс атмосферной коррозии металла облегчается, а анодный процесс затрудняется. Таким образом, малая толщина слоя элек


8

тролита приводит к большому омическому сопротивлению при работе коррозионных микропар. Следовательно, для атмосферной коррозии контролирующим фактором является катодно-анодно-омический контроль (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Зависимость скорости атмосферной коррозии от толщины пленки влаги h:
I — сухая атмосферная коррозия; II — влажная атмосферная коррозия; III — мокрая атмосферная коррозия; IV — коррозия в электролите

     Атмосферная коррозия протекает с превалирующей кислородной деполяризацией. При этом такие металлы, как алюминий, железо, цинк, которые корродируют при полном погружении в достаточно кислые растворы с водородной деполяризацией, под тонкой пленкой влаги даже в сильно загрязненной кислыми газами атмосфере корродируют со значительной долей кислородной деполяризации.
     Процессы, протекающие при атмосферной коррозии, могут быть схематически представлены следующим образом: железо в виде двухвалентных ионов переходит в раствор и с продуктом катодной реакции — гидроксилом — образует гидрат окиси железа, выпадающий в осадок. Параллельно часть двухвалентных ионов железа окисляется до трехвалентного состояния. Гидроокись трехвалентного железа превращается в оксигидрат железа (FeOOH), первая кристаллическая модификация которого у = FeOOH — лепидокрокит. При последующих фазовых превращениях из FeOOH образуется гетит а = FeOH • пH2O или FesO4 (рис. 1.2).


9

Рис. 1.2. Схема образования продуктов коррозии железа в атмосферных условиях

     Под слоем первичных продуктов коррозии происходит их уплотнение, что тормозит доступ кислорода и воды к поверхности металла и снижает скорость коррозии. Фазовые превращения в пленке приводят к объемным изменениям, в результате которых могут образоваться трещины и, следовательно, уменьшиться защитное действие пленки.

1.2. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ


            НА СКОРОСТЬ


АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

     На скорость атмосферной коррозии металлов влияет большое число факторов:
     1) влажность воздуха (создание электролита);
     2)     примеси воздуха (газы SO2, SO3, H2S, NH3, CI2, НС1 и др. в контакте с водой действуют как депассиваторы, комплексообразова-тели или катодные деполяризаторы; твердые частицы увеличивают электропроводность пленки электролита и облегчают адсорбцию газов и влаги из воздуха);
     3) характер атмосферы (чистая, грязная, сухая, влажная);
     4)     географическая зона (тропики, субтропики, средняя полоса, пустыня, Крайний Север);


10

     5)      состояние поверхности корродирующего металла (наличие продуктов коррозии);
     6)      наличие инородных включений в металле (одни из них защищают от коррозии — катодные включения, например Си, Pb, Pd, а другие способствуют разрушению металла);
     7)      температура (с повышением температуры влажность и скорость коррозии снижаются).
     Стойкость металлов к атмосферной коррозии зависит также от их химической природы и состояния поверхности.
     В воздухе содержится водяной пар, количество которого, г/м³, называют абсолютной влажностью wа. Влажностное состояние воздуха определяется такими параметрами, как давление водяного пара pw и относительная влажность wотн. Величина wотн может изменяться от нуля до максимального парциального давления wнас, соответствующего полному насыщению воздуха.
     Абсолютная влажность увеличивается с повышением температуры (табл. 1.1).
Таблица 1.1

Зависимость абсолютной влажности и максимального парциального давления от температуры

Температура, °C Абсолютная влажность,       Максимальное      
                        г/м3          парциальное давление, Па
-10                       2                     259           
+20                      17                     2333          
+40                      51                     7357          

     Каждому значению температуры при одинаковом атмосферном давлении соответствует определенное максимальное парциальное давление pw. Эту температуру принято называть точкой росы (tр).
     Относительная влажность wотн, %, характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
     Чем выше относительная влажность, тем слабее энергия связи влаги с воздухом. Когда wотн приближается к wнас, образуются многочисленные микрокапли, которые постепенно укрупняются и осаждаются на поверхности конструкций в виде конденсата. Причиной его образования может быть быстрое охлаждение воздуха или перепад температуры (рис. 1.3).
     Еще одна причина конденсации влаги — содержание в воздухе гигроскопической пыли или аэрозолей.


11

Рис. 1.3. Влияние перепада температур на повышение относительной влажности воздуха

     При любой влажности часть воды из воздуха переходит на поверхность конструкции за счет сорбции. В сухом воздухе адсорбционный слой влаги соизмерим с толщиной молекулярного слоя воды. По мере повышения относительной влажности толщина слоя влаги на поверхности увеличивается и может достигать 1 мкм и более.
     Атмосферная коррозия, протекающая под молекулярным слоем влаги (до 10 нм), и является "сухой" атмосферной коррозией. Эта разновидность коррозии характеризуется поверхностным окислением металла по химическому механизму взаимодействия какого-либо реагента в газообразном виде. Например, кислород воздуха или сероводород как примеси в воздухе взаимодействуют с поверхностью металла (потускнение никелевых, цинковых, оловянных покрытий, латунных изделий, почернение медных, серебряных покрытий).
     Окисные пленки в результате "сухой" атмосферной коррозии образуются на металлах в течение первых 2-3 ч. В дальнейшем утолщение их практически прекращается. Толщина слоя окислов на стальных и омедненных поверхностях составляет 3-4 нм, на поверхности

12

алюминиевых сплавов, коррозионно-стойких сталей и серебряных покрытий — 1-2 нм.
     Процессы "сухой" атмосферной коррозии не оказывают существенного влияния на сохранность элементов конструкций, не снижают их работоспособности даже при содержании в воздухе небольших количеств агрессивных веществ. Например, полное почернение поверхности серебряных контактов приборов и аппаратуры может вызвать незначительное увеличение переходного сопротивления (до 3 %). Относительная влажность при этих условиях составляет 30-50 %. Значения ее весьма ориентировочны, так как они зависят от состояния поверхности. Дальнейшее повышение влажности способствует увеличению толщины пленки воды. Адсорбционные процессы от моно- и полимолекулярных взаимодействий переходят к капиллярной конденсации, вода проявляет свойства электролита, что имеет решающее значение для процессов коррозии.
     В таких условиях начинается "влажная" коррозия. Оптимальный размер пор для капиллярной конденсации 10-1000 нм. Ее могут также стимулировать шероховатость поверхности и загрязнителей в виде твердых частиц. Интенсивная капиллярная конденсация, как и развитие коррозионных процессов, происходит при относительной влажности более 70-75 % (рис. 1.4, 1.5). Эти значения влажности считают критическими wкр. Экспериментально установленные значения wкр для различных металлов в большинстве случаев находятся между 50-70 %. Атмосферная коррозия при значениях относительной влажности выше wкр протекает по электрохимическому механизму.



Рис. 1.4. Влияние относительной влажности воздуха на скорость коррозии стали

13