Механизм и кинетические особенности влияния факторов системы «сталь-изоляция-грунт» на коррозию подземных трубопроводов

Контролирующие факторы электрохимической коррозии трубопроводов в грунтах

Подземные стальные трубопроводы практически повсеместно укладываются в грунты на уровень зоны аэрации капиллярной каймы водоносного горизонта, когда составляющие грунт вещества контактируют со стенкой трубы в сквозных дефектах изоляции в твердом, жидком и газообразном состояниях. В реальных условиях равновесия между этими фазами не наблюдается [4−8]. Это обусловлено прежде всего тем, что в грунте происходит непрерывный перенос тепла, почвенного электролита и воздуха, что связано с непостоянством условий на его границе. Этот процесс, как правило, характеризует несоблюдение условий термодинамического равновесия в вертикальном направлении [9, 10]. Коррозионный процесс в грунтах, в отличие от электролитов со свободной конвекцией, имеет свою специфику и определяется как составом почвенного электролита зоны аэрации, где прокладываются магистральные и технологические трубопроводы, так и размером твердых частиц грунта. Состав почвенного электролита формируется растворением минеральных солей, содержащихся в твердой основе грунта, деятельностью микроорганизмов, а также протекающими в грунте биохимическими процессами. Состав почвенного электролита очень изменчив. Он меняется не только в различные сезоны года, но даже в течение суток за счет испарения, конденсации и его перемешивания в толще грунта [11−13]. Российские магистральные трубопроводы проложены в грунтах, водная вытяжка которых имеет pH = 5,5…7,5, то есть нейтральную или близкую к ней реакцию. Твердая часть грунта состоит в основном из минералов размерами от нескольких сантиметров (галька) до долей микрона (коллоидные фракции). Непосредственно в коррозионном процессе твердая основа грунта участия не принимает, однако она оказывает определяющее влияние на физико-механические свойства грунта, и это влияние тем сильнее, чем меньше размер частиц и, следовательно, чем больше суммарная поверхность частиц, содержащихся в единице объема грунта. В работах Н. Д. Томашова [12, 13] на основе экспериментальных исследований показано, что именно физико-механические, а не химические свойства грунта определяют скорость коррозии подземных сооружений. Особенно большое влияние на физико-механические свойства грунтов оказывают коллоидная фракция (размер частиц меньше 0,25 мкм), илистые частицы (размер 0,25… 1 мкм) и в меньшей степени — пылеватые частицы (размер 1… I0 мкм). Действительно, если в электролитах со свободной конвекцией диффузионный слой, лимитирующий доступ кислорода, имеет толщину порядка 1,0 мм (слой Прандля), то в грунтах практически вся толща является диффузионным барьером, поэтому чем меньше размер твердых частиц грунта, тем плотнее грунт, тем меньше его аэрируемость. Третья составляющая часть грунтов — газообразная. Почвенный воздух находится в непосредственном взаимодействии с почвенным электролитом. Растворимые в воде вещества, содержащиеся в воздухе, в той или иной мере принимают участие в коррозионном процессе. Важнейшим компонентом почвенного воздуха является кислород, выступающий в роли основного окислителя при коррозии подземных стальных трубопроводов. Состав порового воздуха зависит, с одной стороны, от соотношения между потреблением кислорода и образованием углекислоты, с другой — от интенсивности воздухообмена с атмосферой. В почвенном воздухе практически всегда содержится значительное количество молекул воды, что при наличии растворенного кислорода способствует развитию коррозии подземных стальных трубопроводов. По порам, свободным от конденсированной влаги, происходит перемещение воды в виде пара. Влажность почвенного воздуха практически во всех случаях близка к 100%. По этой причине коррозионный процесс даже в сухих грунтах протекает под конденсированной видимой пленкой влаги. Исходя из представлений Г. К. Берукштис и Г. М. Кларк [14] можно полагать, что условия для протекания коррозионного процесса под пленкой влаги в грунтах близки к условиям мокрой коррозии в атмосфере. При увеличении влажности грунта толщина слоя влаги, покрывающего корродирующую поверхность, увеличивается и при достижении полного влагонасыщения совпадает с толщей грунта над трубопроводом. Толща грунта над трубопроводом представляет собой гетерогенную систему, параметры которой являются стохастическими и не могут быть точно определены. Имеющиеся методы определения коррозионной активности грунтов являются не более чем оценочными [15−22]. Коррозионный процесс в грунтах, в отличие от электролитов со свободной конвекцией, имеет свою специфику и определяется как составом почвенного электролита зоны аэрации, где прокладываются магистральные и технологические трубопроводы, так и размером твердых частиц грунта. Состав почвенного электролита формируется растворением минеральных солей, содержащихся в твердой основе грунта, деятельностью микроорганизмов, а также протекающими в грунте биохимическими процессами. Результаты коррозионных исследований свидетельствуют о том, что степень коррозионной агрессивности грунтов находится в зависимости от их аэрируемости. Коррозионные испытания были проведены в почвенно-климатических условиях центральной части Западной Сибири. Длительность коррозионных испытаний составила 1 год. Сезонные колебания температуры на уровне укладки образцов (1,5…1,7 м) составили: в торфе — от 4,5 до 8 °C; в глине — от 3,6 до 9,7 °С; в песке — от 2,5 до 8,5 °С. Результаты коррозионных испытаний, прсдставлсныс в табл. 1.1, однозначно свидетельствуют об отсутствии влияния марки стали на коррозионную стойкость в различных грунтах (торф, глина, песок), что является прямым подтверждением факта контроля скорости коррозионного процесса испытуемых сталей в исследуемых грунтах со стороны катодной реакции электровосстановления кислорода, то есть степень коррозионной агрессивности грунтов в основном определяется доставкой кислорода к коррозирующей поверхности.

Таблица 1.1

Коррозионная стойкость низколегированных сталей ферритно-перлитного

класса в различных грунтах центральной части Западной Сибири

Тип грунта.	Скорость коррозии углеродистых низколегированных сталей, г/см2 час.
	Ст.З.	Ст. 45.	17ГС.	09Г2С.	13ГСЮ.	17Г2С-У.
Торф.	0,031.	0,033.	0,032.	0,024.	0,028.	0,031.
Глина.	0,018.	0,015.	0,017.	0,012.	0,01.	0,012.
Песок.	0,021.	0,022.	0,021.	0,023.	0,025.	0,026.

Согласно представлениям Н. П. Глазова [4], вся система «стенка трубы — изоляция-грунт» является неоднородной и ее параметры не подчиняются четкому определению. Все параметры грунтов в зависимости от сезонности и других факторов изменяются как во времени, так и в пространстве. Это хорошо видно из анализа факторов, влияющих на коррозию через диффузионное торможение кислорода.

Из приведенной на рис. 1.1 схемы видно, что ни один фактор нельзя точно определить, поскольку он изменяется как во времени, так и в пространстве. Это относится в первую очередь к пористости, проницаемости и влажности грунта, которые в итоге определяют скорость течения лимитирующей коррозию реакции кислородной деполяризации.

Дополнительным, усложняющим процесс, фактором является характер повреждений изоляционного покрытия трубопровода. В процессе длительной эксплуатации подземных газонефтепроводов изоляция теряет адгезионную связь с поверхностью трубы, при этом коррозионный процесс протекает под отслоившейся изоляцией как в отсутствии сквозных дефектов изоляции, когда катодная защита недоступна (шатровая коррозия), так и при наличии сквозных дефектов изоляции, при режимах катодной защиты, когда /_к 3 < j, или при простоях средств электрохимзащиты, когда j_K 3 = 0.