Анализ пассивных методов защиты от коррозии магистральных нефтегазопроводов

РЕФЕРАТ

Объектами исследования являются различные виды изоляционных покрытий труб, наносимых в заводских и трассовых условиях.

Целью данной работы стало проведение анализа существующих на сегодня «пассивных» методов защиты от коррозии магистральных нефтегазопроводов, расчет срока службы применяемых в данных методах изоляционных покрытий, а также выявление на основе полученных данных наиболее эффективных среди них.

В процессе работы проведен анализ различных методов нанесения антикоррозийных покрытий труб в заводских и трассовых условиях, требования к транспортировке и хранению изолированных труб и изоляционных материалов, а также методы контроля качества изоляционных покрытий в заводских и трассовых условиях. Рассмотрены вопросы промышленной и экологической безопасности. Расчитаны затраты на проведение работ по переизоляции участка магистрального нефтепровода.

Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007 Enterprise SP2 и представлена на диске (в конверте на обороте обложки).

АННОТАЦИЯ

В выпускной квалификационной работе по теме «Анализ пассивных методов защиты от коррозии магистральных нефтегазопроводов» рассматриваются:

— Основные понятия, связанные с коррозией и ее классификация.

— Различные виды и технологии нанесения изоляционных покрытий труб в заводских и трассовых условиях и их характеристики.

— Различные методы контроля качества изоляционных покрытий в заводских и трассовых условиях.

— Требования к транспортировке и хранению изолированных труб и изоляционных материалов.

— Производственная и экологическая безопасность при выполнении работ по переизоляции участка магистрального нефтепровода.

В работе произведен расчет стоимости проведения работ по переизоляции участка магистрального нефтепровод, расчет сроков их окупаемости, а также расчет срока службы отдельных видов изоляционных покрытий.

Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов по трубопроводам является наиболее эффективным и безопасным способом их транспортировки на значительные расстояния. Этим способом доставки нефти и газа от районов их добычи к потребителям пользуются уже более 100 лет. Высокая долговечность и безаварийность работы трубопроводов напрямую зависит от качества 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 коррозионноактивных агентов (воды, кислорода воздуха). При появлении в покрытии дефектов предусматривается система катодной защиты трубопроводов — «активная» защита от коррозии.

За все время применения антикоррозионных покрытий, составляющих ядро «пассивной» защиты трубопроводов, изобретено большое количество изоляционных материалов и методов их нанесения на поверхность трубопроводов в заводских, а также трассовых условиях. В связи с этим немаловажную роль стали играть такие показатели качества изоляционных покрытий, как водонепроницаемость, адгезия, долговечность, экономичность, сплошность, механическая прочность и др. показатели, характеризующие эффективность того или иного изоляционного покрытия.

Целью данной работы является анализ существующих на сегодня «пассивных» методов защиты от коррозии магистральных нефтегазопроводов, расчет срока службы применяемых в данных методах изоляционных покрытий, а также выявление на основе полученных данных наиболее эффективных среди них.

Глава 1. ПОНЯТИЕ О КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ И КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1 Общее понятие о коррозии

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.

Коррозионный процесс — гетерогенный (неоднородный), протекает на границе раздела металл — агрессивная среда, имеет сложный механизм. При этом атомы металла окисляются, т. е. теряют валентные электроны, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с ее компонентами и образуют продукты коррозии.

В большинстве случаев коррозия металлов пройм ходит неравномерно по поверхности, имеются участки, на которых возникают локальные поражения. Некоторые продукты коррозии, образуя поверхностные пленки, сообщают металлу коррозионную стойкость.

Иногда могут появляться рыхлые продукты коррозии, имеющие слабое сцепление с металлом. Разрушение таких пленок вызывает интенсивную коррозию обнажающегося металла.

Коррозия металла снижает механическую прочность и меняет другие его свойства.

Коррозионные процессы классифицируют по видам коррозионных разрушений, характеру взаимодействия металла со средой, условиям протекания.

1.2 Классификация коррозии

Коррозия бывает сплошная, общая и местная. Сплошная коррозия протекает по всей поверхности металла. При местной коррозии поражения локализуются на отдельных участках поверхности.

Общая коррозия подразделяется на равномерную, неравномерную и избирательную (Рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 — Характер коррозионных разрушений Примечание: I — равномерное; II — неравномерное; III — избирательное; IV — пятна; V — язвы; VI — точками или питтингами; VII — сквозное; VIII — нитевидное; IX — поверхностное; X — межкристаллитное; XI — ножевое; XII — растрескивание Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерная — на различных участках поверхности металла с неодинаковой скоростью. При избирательной коррозии разрушаются отдельные компоненты сплава.

При коррозии пятнами диаметр коррозионных поражений большой глубины. Для язвенной коррозии характерно глубокое поражение участка поверхности ограниченной площади. Как правило, язва находятся над слоем продуктов коррозии. При точечной (питтинговой) коррозии наблюдаются отдельные точечные поражения поверхности металла, которые имеют малые поперечные размеры при значительной глубине. Сквозная — это местная коррозия, вызывающая разрушение металлического изделия насквозь, в виде свищей. Нитевидная коррозия проявляется под неметаллическими покрытиями и виде нитей. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, пи преимущественно распространяется под поверхностью металла, вызывая его вспучивание и расслоение.

При межкристаллитной коррозии разрушение сосредоточено по границам зерен металла или сплава. Этот вид коррозии опасен тем, что происходит потеря прочности и пластичности металла. Ножевая коррозия имеет вид надреза ножом вдоль сварного соединения в сильно агрессивных средах. Коррозионное растрескивание протекает при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих остаточных или приложенных механических напряжениях.

Металлические изделия в определенных условиях подвергаются коррозионно-усталостному разрушению, протекающему при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и переменных механических напряжений.

По характеру взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия — разрушение металла при химическом взаимодействии с агрессивной средой, которой служат неэлектролиты — жидкости и сухие газы. Электрохимическая коррозия — разрушение металла под воздействием электролита при протекании двух самостоятельных, но взаимосвязанных процессов — анодного и катодного. Анодный процесс — окислительный, проходит с растворением металла; катодный процесс — восстановительный, обусловлен электрохимическим восстановлением компонентов среды. Современная теория коррозии металлов не исключает совместного протекания химической и электрохимической коррозии, так как в электролитах при определенных условиях возможен перенос массы металла по химическому механизму.

По условиям протекания коррозионного процесса наиболее часто встречаются следующие виды коррозии:

газовая коррозия, протекает при повышенных температурах и полном отсутствии влаги на поверхности; продукт газовой коррозии — окалина обладает при определенных условиях защитными свойствами;

атмосферная коррозия, протекает в воздухе; различают три вида атмосферной коррозии: во влажной атмосфере — при относительной влажности воздуха выше 40%; в мокрой атмосфере — при относительной влажности воздуха, равной 100%; в сухой атмосфере — при относительной влажности воздуха менее 40%; атмосферная коррозия — один из наиболее распространенных видов вследствие того, что основная часть металлического оборудования эксплуатируется в атмосферных условиях;

жидкостная коррозия — коррозия металлов в жидкой среде; различают коррозию в электролитах (кислоты, щелочи, солевые растворы, морская вода) и в неэлектролитах (нефть, нефтепродукты, органические соединения);

подземная коррозия — коррозия металлов, вызываемая в основном действием растворов солей, содержащихся в почвах и грунтах; коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена структурой и влажностью почвы, содержанием кислорода и других химических соединений, рН, электропроводностью, наличием микроорганизмов;

биокоррозия — коррозия металлов в результате воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, в биокоррозии участвуют аэробные и анаэробные бактерии, приводящие к локализации коррозионных поражений;

электрокоррозия, возникает под действием внешнего источника тока или блуждающего тока;

7) щелевая коррозия — коррозия металла в узких щелях, зазорах,

м резьбовых и фланцевых соединениях металлического оборудования,

аксплуатирующегося в электролитах, в местах неплотного контакта

металла с изоляционным материалом;

контактная коррозия, возникает при контакте разнородных металлов в электролите;

коррозия под напряжением, протекает при совместном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений — постоянных растягивающих (коррозионное растрескивание) и переменных или циклических (коррозионная усталость);

коррозионная кавитация — разрушение металла в результате одновременно коррозионного и ударного воздействий. При этом защитные пленки на поверхности металла разрушаются, когда лопаются газовые пузырьки на поверхности раздела жидкости с твердым телом;

коррозионная эрозия — разрушение металла вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механического износа;

фреттинг-коррозия — локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга;

структурная коррозия, обусловлена структурной неоднородностью сплава; при этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого-либо компонента сплава;

термоконтактная коррозия, возникает за счет температурного градиента, обусловленного неравномерным нагреванием поверхности металла.

Глава 2. ЗАВОДСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ТРУБ

2.1 Классификация заводских покрытий

Для наружной изоляции трубопроводов наиболее часто применяются следующие типы заводских покрытий: а) заводское эпоксидное покрытие; б) заводское полиэтиленовое покрытие; в) заводское полипропиленовое покрытие; г) заводское комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие.

Данные типы покрытий отвечают современным техническим требованиям и обеспечивают долговременную, эффективную защиту трубопроводов от почвенной коррозии.

В разных странах отдается предпочтение различным типам заводских покрытий. В США, Англии, Канаде наиболее популярны эпоксидные покрытия труб, в Европе, Японии и России предпочтение отдается заводским покрытиям на основе экструдированного полиэтилена. Для изоляции морских трубопроводов и «горячих» (80−110 °С) участков трубопроводов применяются полипропиленовые покрытия. Комбинированные ленточно-полиэтиленовые покрытия используются в основном для изоляции труб малых и средних диаметров с температурой эксплуатации до плюс 40 °C.

Рисунок 2.1 — Схема заводской изоляции труб

2.1.1 Заводское полиэтиленовое покрытие

На сегодняшний день при строительстве отечественных магистральных и промысловых трубопроводов в качестве наружных защитных покрытий наиболее широко применяются заводские покрытия труб на основе экструдированного полиэтилена.

Качество заводских полиэтиленовых покрытий труб во многом зависит от конструкции защитных покрытий и изоляционных материалов, используемых для их нанесения.

Существует 4 варианта конструкций заводских полиэтиленовых покрытий труб:

— Полиэтиленовое покрытие, наносимое по битумно-мастичному подслою (конструкция покрытия № 6 по ГОСТ Р 51 164−98).

— Полиэтиленовое покрытие, наносимое по изоляционному подслою на основе липкой полимерной ленты (конструкция покрытия № 7 по ГОСТ Р 51 164−98).

— Двухслойное полиэтиленовое покрытие, состоящее из адгезионного подслоя на основе термоплавкой полимерной композиции и наружного полиэтиленового слоя (конструкция покрытия № 2 по ГОСТ Р 51 164−98, конструкция покрытия № 4 по ГОСТ Р 52 568−2006).

— Трехслойное полиэтиленовое покрытие, состоящее из слоя эпоксидного праймера, адгезионного полимерного подслоя и наружного полиэтиленового слоя (конструкция покрытия № 1 по ГОСТ Р 51 164−98, конструкция покрытия №№ 1−3 по ГОСТ Р 52 568−2006).

Первые два типа полиэтиленовых покрытий труб имеют достаточно ограниченный диапазон применения. Данные типы покрытий рекомендуется использовать для наружной изоляции труб малых и средних диаметров (от 57 до 530 мм включительно) при температуре эксплуатации трубопроводов не выше плюс 40оС. Основная область применения таких покрытий — строительство промысловых трубопроводов, водопроводов, межпоселковых газопроводов низкого давления. 28]

Нанесение на трубы комбинированных мастично-полиэтиленовых и ленточно-полиэтиленовых покрытий может осуществляться в условиях стационарных трубоизоляционных баз. Защитные покрытия наносятся по упрощенной технологии (щеточная очистка, праймирование поверхности труб, нанесение мастичного или ленточного подслоя, нанесение наружного экструдированного полиэтиленового слоя). Предварительного технологического нагрева труб и абразивной очистки при этом не требуется, что существенно снижает затраты на подготовку поверхности и изоляцию труб.

Для нанесения мастичного подслоя должны применяться специальные модифицированные битумные мастики, обладающие повышенной морозостойкостью и хорошей адгезией к полиэтилену. Для нанесения ленточного подслоя должны применяться дублированные полиэтиленовые ленты с бутилкаучуковым подслоем (типа «НК ПЭЛ», «Полилен», «Поликен» и др.) толщиной не менее 0,45 мм. Наружная оболочка из экструдированного полиэтилена толщиной до 2,0−2,5 мм предназначена для повышения механической прочности покрытия, увеличения его стойкости к продавливанию и удару, что обеспечивает длительное складирование, хранение и транспортировку изолированных труб.

Заводские двухслойные полиэтиленовые покрытия характеризуются более высокими показателями свойств и более широким температурным диапазоном эксплуатации (от минус 20оС до плюс 50−60оС). Применение в качестве адгезионного подслоя расплава термоплавкой полимерной композиции на основе сополимера этилена с винилацетатом или этилена с эфиром акриловой кислоты существенно повышает адгезию покрытия к стали (до 100−150 Н/см).

Технология нанесения на трубы двухслойных полиэтиленовых покрытий хорошо отработана и освоена более чем на 20 отечественных предприятиях. Технологический процесс нанесения двухслойного полиэтиленового покрытия включает предварительный нагрев труб, их абразивную (дробеметную или дробеструйную) очистку, нагрев до заданной температуры (180−200оС), нанесение методом боковой «плоскощелевой» или кольцевой экструзии расплавов адгезива и полиэтилена, прикатку покрытия специальными роликами и охлаждение изолированных труб оборотной водой. Для повышения качества двухслойного покрытия при температурах эксплуатации 40−60оС рекомендуется осуществлять пассивацию очищенной поверхности труб специальным хроматным составом.

При нанесении на трубы двухслойного полиэтиленового покрытия используются преимущественно композиции сэвилена и композиции полиэтилена низкой плотности кабельных марок. Из отечественных материалов для заводской двухслойной изоляции труб применяются адгезионные композиции разработки ЗАО НПК «Полимер-Компаунд», г. Томск и композиции полиэтилена поставки ООО «Дита-Пласт», г. Селятино, ООО «Волжский завод полимеров», г. Нижний Новгород, ЗАО «Полимер-Компаунд». Из импортных материалов наиболее широкое применение для двухслойной изоляции труб получила композиция адгезива марки «Trisolen 190» поставки «Leuna Eurokommerz» (Германия).

В соответствии с ГОСТ Р 52 568−2006 и требованиями ОАО «АК «Транснефть» ОТТ-04.00−27.22.00-КТН-005−1-03 трубы с двухслойным полиэтиленовым покрытием рекомендуется применять для строительства промысловых и магистральных нефтепроводов диаметрами до 820 мм включительно, а по требованиям СТО «Газпром» 2−2.3−130−2007 при строительстве магистральных газопроводов максимально допустимый диаметр труб с двухслойным полиэтиленовым покрытием не должен превышать 530 мм. При этом допустимая температура эксплуатации магистральных газопроводов с двухслойным полиэтиленовым покрытием не должна превышать плюс 50оС.

Такие ограничения в отношении двухслойных полиэтиленовых покрытий вполне обоснованы. При температурах выше плюс 40−50оС адгезионный подслой покрытия начинает размягчаться, что приводит к заметному снижению адгезии покрытия к стали (до10−30 Н/см). Кроме того, при повышенных температурах эксплуатации отмечается значительное снижение стойкости покрытия к катодному отслаиванию и к длительному воздействию воды.

Конструкция трехслойного покрытия отличается от двухслойного наличием дополнительного слоя — эпоксидного праймера (рисунок 2.2). Для нанесения праймирующего слоя могут использоваться как порошковые эпоксидные краски (оптимальная толщина эпоксидного слоя при этом должна составлять 100−200 мкм и, по крайней мере, на 40−50 мкм превышать шероховатость очищенной поверхности труб), так и жидкие эпоксидные краски (толщина сухой пленки праймера должна составлять 40−60 мкм). Эпоксидный праймер обеспечивает повышенную адгезию покрытия к стали, стойкость к катодному отслаиванию и к длительному воздействию воды. Кроме того, эпоксидный слой является проницаемым для токов катодной защиты, что создает хорошую совместимость трехслойного полиэтиленового покрытия с электрохимической защитой трубопроводов. Полимерный адгезионный подслой является промежуточным слоем в конструкции трехслойного покрытия труб. Его функции состоят в обеспечении сцепления (адгезии) между наружным полиэтиленовым слоем и внутренним эпоксидным слоем. Наружный полиэтиленовый слой характеризуется низкой влагокислородопроницаемостью, выполняет функции «диффузионного барьера» и обеспечивает покрытию высокую механическую и ударную прочность. Сочетание всех трех слоев покрытия делает трехслойное полиэтиленовое покрытие одним из наиболее эффективных наружных защитных покрытий трубопроводов.

Рисунок 2.2 — Труба с трехлойным полиэтиленовым покрытием Полиэтиленовое покрытие имеет высокий показатель адгезии к стали (не менее 35 Н/см), высокие диэлектрические характеристики (более 5 кВ) и устойчивость к внешним механическим повреждениям. 11]

Покрытие наносится методом боковой («плоскощелевой») экструзии. С целью обеспечения высоких адгезионных свойств изоляции применяется высококачественная дробеструйная очистка поверхности труб, нанесение промежуточного клеящего слоя (адгезионно-активной композиции толщиной 300−400 мкм), далее нанесение наружного защитного слоя на основе термосветостабилизированной композиции полиэтилена. Трубы с покрытием из экструдированного полиэтилена, обладают рядом существенных преимуществ:

— покрытие экологически безопасно;

— повышает безремонтный срок службы газопроводов и культуру строительства;

— обладает повышенной механической прочностью;

— качество покрытия не зависит от температуры окружающей среды и т. д.

Трубы изолированные O 57−1420 мм с двухслойным и трехслойным покрытием из экструдированного полиэтилена весьма усиленного типа (ВУС) выпускаются по техническим условиям соответствующим ГОСТ 9.602−2005 «Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии» и ГОСТ 51 164–98 «Газопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии».

Преимущества трехслойных полиэтиленовых покрытий в сравнении с двухслойными покрытиями труб связаны не только с наличием в конструкции покрытия дополнительного слоя — эпоксидного праймера, но и с использованием для нанесения адгезионного подслоя и наружного полиэтиленового слоя более качественных изоляционных материалов. К несомненным преимуществам трехслойных полиэтиленовых покрытий труб следует отнести их повышенную теплостойкость. Использование современных адгезионных композиций и эпоксидного праймера позволило расширить температурный диапазон применения полиэтиленовых покрытий от плюс 50−60оС до плюс 80оС. Для нанесения на трубы трехслойных полиэтиленовых покрытий используются, как правило, импортные изоляционные материалы: порошковые эпоксидные краски поставки фирм: «3М», «AkzoNobel», «BSCoatings», «BasfCoatings» и др., композиции адгезива и полиэтилена производства «BorealisA|S», «BasellPoliolefins», «TotalPetrochemicals», «DuPont», «IndustriePolieco-МРВ S.R.L», «KoreaPetrochemicalInd.Co», «LeunaEurokommerz» и др. Из отечественных материалов для нанесения на трубы заводских трехслойных покрытий аттестованы к применению порошковые эпоксидные краски «П-ЭП-0305 М» ООО НПК «Пигмент», г. Санкт-Петербург, «П-ЭП 0130» ООО «Ярославский завод порошковых красок», композиция адгезива «АТИ-06″, разработки ЗАО „Терма“, г. Санкт-Петербург» и композиция полиэтилена высокой плотности «F 308 B» ООО «Ставролен», г. Буденновск, Ставропольского кр.

2.1.2 Заводские полипропиленовые покрытия

В Европе заводские покрытия труб на основе экструдированного полипропилена занимают 7−10% от объема производства труб с заводским полиэтиленовым покрытием. Полипропиленовое покрытие обладает повышенной теплостойкостью, высокой механической, ударной прочностью, стойкостью к продавливанию и абразивному износу.

Рисунок 2.3 — Трубы с заводским полипропиленовым покрытием Основная область применения полипропиленовых покрытий — противокоррозионная защита «горячих» (до 110−140 °С) участков трубопроводов, защита от коррозии морских, шельфовых трубопроводов, подводных переходов, участков трубопроводов, строящихся методами «закрытой» прокладки (проколы под дорогами, прокладка труб методом наклоннонаправленного бурения и т. д.). Для нанесения покрытия используются порошковые эпоксидные краски поставки фирм «3M» (США), «BASF Coatings» (Германия), ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» и ОАО «Волжский трубный завод», композиции адгезива и полипропилена поставки фирм «Borealis», «Basell Polyolefins» ., термоплавкие полимерные композиции и термосветостабилизированные композиции полипропилена. Из-за высокой ударной прочности полипропиленового покрытия его толщина может быть на 20−25% меньше толщины поли-этиленового покрытия труб (от 1,8 мм до 2,5 мм). Полипропиленовые покрытия имеют, как правило, белый цвет, что обусловлено использованием в качестве основного светостабилизатора добавки двуокиси титана. 29]

К недостаткам полипропиленовых покрытий следует отнести их пониженную морозостойкость. Стандартное полипропиленовое покрытие рекомендуется применять при температурах строительства трубопроводов до минус 10 °C, а температура окружающей среды при хранении изолированных труб не должна быть ниже минус 20 °C. Специально разработанное морозо-стойкое полипропиленовое покрытие может применяться при температурах строительства трубопроводов до минус 30 °C и температурах хранения изолированных труб до минус 40 °C.

Основные преимущества полипропиленовых покрытий связаны с их повышенной теплостойкостью (могут применяться при температурах транспортируемых продуктов до 110−140оС), высокой механической прочностью, стойкостью к продавливанию, прорезанию и абразивному износу. Данный тип покрытия рекомендуется применять при строительстве подводных переходов, на участках «закрытой» прокладки (проколы под автомобильными и железными дорогами, прокладка труб методом «микротоннелирования», наклонно-направленного бурения), при сооружении морских, шельфовых газонефтепроводов, а также в качестве противокоррозионного покрытия «горячих» участков трубопроводов. В нашей стране трубы с заводским полипропиленовым покрытием использовались при строительстве подводных переходов, при обустройстве нефтепромысла на Балтийском море, при прокладке по дну Черного моря магистрального газопровода «Голубой поток».

Благодаря высокой ударной прочности заводского полипропиленового покрытия (до 80−110 Дж при 20оС), его общая толщина может быть на 20−25% меньше толщины полиэтиленового покрытия, что делает данный тип покрытия по стоимости сопоставимым с заводским полиэтиленовым покрытием труб. Режимы нанесения на трубы полипропиленового покрытия аналогичны режимам нанесения заводских полиэтиленовых покрытий. Это позволяет осуществлять заводскую полипропиленовую изоляцию труб без проведения работ по дооснащению и модернизации существующих технологических линий. Технология нанесения на трубы трехслойного полипропиленового покрытия к настоящему времени отработана и реализована на Московском трубозаготовительном комбинате, на Выксунском, Волжском и Челябинском трубных заводах. Для нанесения покрытия используются порошковые эпоксидные краски, термоплавкие полимерные композиции и термо-светостабилизированные композиции полипропилена.

Основные производители и поставщики материалов для нанесения заводских полипропиленовых покрытий — компании «3М», «Basf Coatings», «Industrie Polieco — МРВ S.R.L», «Basell Poliolefins», «Borealis A|S"и др. Возможен вариант нанесения полипропиленового покрытия с использованием жидкого эпоксидного праймера.

При всех несомненных преимуществах заводских полипропиленовых покрытий труб они обладают одним серьезным недостатком — пониженной морозостойкостью. Стандартное полипропиленовое покрытие рекомендуется применять при температурах строительства трубопроводов до минус 10 °C, а температура окружающей среды при хранении изолированных труб должна быть не ниже минус 20 °C. Специальное морозостойкое полипропиленовое покрытие может применяться при температурах строительства трубопроводов до минус 30 °C и температурах хранения изолированных труб до минус 40 °C.

2.1.3 Заводское комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие

Для противокоррозионной защиты трубопроводов малых и средних диаметров (до 530 мм) в последние годы довольно широко и успешно используется комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие. Комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие наносится на трубы в заводских или базовых условиях. Конструктивно покрытие состоит из слоя адгезионной грунтовки (расход грунтовки — 80−100 г/м2), слоя дублированной полиэтиленовой ленты (толщина 0,45−0,63 мм) и наружного слоя на основе экструдированного полиэтилена (толщина от 1,5 мм до 2,5 мм) (рисунок 2.4). Общая толщина комбинированного ленточно-полиэтиленового покрытия составляет 2,2−3,0 мм.

Конструктивно полимерное ленточное покрытие трассового нанесения состоит из слоя адгезионной грунтовки, 1 слоя полимерной липкой ленты толщиной 0,6 мм и 1 слоя защитной полимерной обертки толщиной 0,6 мм. Общая толщина покрытия при этом составляет не менее 1,2 мм. В случае изоляции труб в заводских (базовых) условиях с целью повышения ударной прочности покрытия, необходимой для транспортировки изолированных труб от завода к месту строительства трубопроводов, наносятся дополнительные слои полимерной ленты и обертки. При этом, в зависимости от диаметров изолируемых труб, общая толщина ленточного покрытия в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51 164 должна составлять не менее 1,8−2,4 мм. Повышенный расход изоляционных материалов существенно увеличивает стоимость покрытия.

Замена в конструкции ленточного покрытия 2−3 слоев ленты и защитной обертки на слой экструдированного полиэтилена позволяют при общем увеличении толщины и механической прочности покрытия уменьшить стоимость 1 м² покрытия.

Конструкция ленточно-полиэтиленового покрытия включает три последовательно наносимых слоя: праймирующий слой на основе битумно-полимерной грунтовки (расход праймера — 80−100 г/м2); изоляционный слой (полиэтиленовая лента с бутилкаучуковым подслоем толщиной 0,45−0,63 мм); наружный защитный слой из экструдированного полиэтилена толщиной от 1,6 мм до 2,5 мм. 31]

Общая толщина комбинированного ленточно-полиэтиленового покрытия в зависимости от диаметров труб и типа покрытия (усиленный, весьма усиленный) составляет 2,2−3,0 мм.

В конструкции комбинированного покрытия полиэтиленовая изоляционная лента, нанесенная по адгезионной грунтовке, обеспечивает устойчивую адгезию покрытия к стали, стойкость покрытия к катодному отслаиванию, в то время как наружный полиэтиленовый слой отвечает за механические характеристики покрытия, обеспечивая покрытию повышенную ударную прочность, устойчивость к продавливанию и световому старению. Комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие отвечает современным техническим требованиям (ГОСТ Р 51 164, ГОСТ 9.602), принято Госгортехнадзором РФ и может применяться в качестве антикоррозионного покрытия труб, используемых при строительстве магистральных, промысловых трубопроводов и отводов от них, при прокладке межпоселковых газопроводов низкого давления, городских газовых, водопроводных сетей, трубопроводов коммунального назначения.

Рисунок 2.4 — Лента поливинилхлоридная липкая (ПВХ Липкая) По основным показателям физико-механических, защитных и эксплуатационных свойств комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие в значительной степени превосходит традиционные битумно-мастичные и ленточные покрытия трубопроводов. Данный тип покрытия предназначен, прежде всего, для наружной изоляции труб нефтепромыслового сортамента диаметрами 109−426 мм, однако, комбинированное покрытие может успешно применяться и для изоляции труб диаметрами от 42 мм до 820 мм. Трубы с наружным комбинированным ленточно-полиэтиленовым покрытием могут храниться при температурах окружающей среды от минус 50 °C до плюс 50 °C, при этом срок хранения изолированных труб под открытым небом составляет не менее 12 месяцев.

Температурный диапазон эксплуатации трубопроводов с комбинированным покрытием — от минус 20 °C до плюс 40 °C, а прогнозируемый срок службы — 35−40 лет.

Для нанесения комбинированного покрытия используются недефицитные отечественные изоляционные материалы. В качестве исходных материалов для нанесения изоляционного слоя могут применяться адгезионные грунтовки типа «НК-50», «П-0012», дублированные полиэтиленовые ленты типа «НК ПЭЛ-45», «НК ПЭЛ-63», «ЛДП», «Полилен» производства ОАО «Трубоизоляция» (г. Новокуйбышевск, Самарская область) или аналогичные импортные изоляционные материалы («Poliken», «Altene», «Nitto» и др.). Для нанесения наружного полиэтиленового слоя могут применяться термостаби-лизированные, обладающие повышенной стойкостью к растрескиванию, композиции полиэтилена низкой плотности: «10 203−003», «10 403−003», «15 303−003», «15 803−003» и др., с добавками технического углерода по рецептурам: 09, 12, 14, 98−100 по ГОСТ 16 337, а также композиции полиэтилена кабельных марок с добавками технического углерода, например, композиции: «158−10К», «153−10К», «103−10К», «102−10К», производимые по ГОСТ 16 336 на предприятиях: ОАО «Казаньоргсинтез» (г.Казань), ОАО «Оргсин-тез» (г. Уфа), НПП «Пластполимер», (г. Новополоцк, Республика Беларусь) и др.

Кроме того, наряду с отечественными материалами могут применяться импортные полиэтиленовые композиции, поставки фирм «Leuna Eurokommerz», «Borealis», «Basell» и др., отвечающие требованиям ГОСТ Р 51 164.

Технология нанесения комбинированного ленточно-полиэтиленового покрытия в стационарных (заводских, базовых) условиях включает следующие последовательно проводимые операции:

— предварительный нагрев и сушку труб;

— очистку наружной поверхности труб от ржавчины и окалины;

— нанесение и сушку адгезионной грунтовки;

— нанесение дублированной полиэтиленовой ленты;

— нанесение экструдированного полиэтиленового слоя;

— охлаждение защитного покрытия;

— контроль качества изолированных труб.

По показателям свойств комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие уступает заводским двухслойным и трехслойным полиэтиленовым покрытиям труб, но в то же время в значительной степени превосходит битумно-мастичные и полимерные ленточные покрытия трубопроводов. Покрытие внесено в российский стандарт ГОСТ Р 51 164−98.

2.1.4 Заводские эпоксидные покрытия труб

Заводские эпоксидные покрытия труб толщиной 350−500 мкм применяются в качестве наружных противокоррозионных покрытий трубопроводов около 50 лет. Наибольшую популярность эпоксидные покрытия труб получили в США, Канаде, Индии, в странах азиатско-тихоокеанского региона. Данные покрытия характеризуются повышенной теплостойкостью, высокой адгезией к стали, отличной стойкость к катодному отслаиванию, устойчивостью к прорезанию, сдиру, абразивному износу. Трубы с эпоксидным покрытием, в отличие от труб с заводским полиэтиленовым покрытием, в течение длительного времени могут храниться под открытым небом. Эпоксидные покрытия проницаемы для токов катодной защиты. Под эпоксидными покрытиями не было зафиксировано случаев стресс-коррозии трубопроводов. Затраты на нанесение эпоксидных покрытий значительно ниже затрат на заводские полиэтиленовые и полипропиленовые покрытия труб (из состава технологических линий исключаются энергоемкие экструдеры, системы загрузки и сушки гранулированных полиолефиновых композиций, уменьшается расход изоляционных материалов и т. д.). 30]

В таблице 2.1 приведены некоторые физико-химические характеристики эпоксидных смол.

Таблица 2.1 — Физико-химические характеристики эпоксидных смол

Основными недостатками эпоксидных покрытий являются их недостаточно высокая эластичность и низкая прочность при ударе, особенно в области минусовых температур, что в значительной степени осложняет транспортировку изолированных труб и выполнение строительно-монтажных работ в трассовых условиях. Именно по этой причине согласно ГОСТ Р 51 164−98 и ГОСТ Р 52 568−2006 введены в с ограничения на использование труб с заводским эпоксидным покрытием при строительстве магистральных трубопроводов (допустимый диаметр труб до 820 мм включительно). Рекомендуемая область применения однослойных эпоксидных покрытий — противокоррозионная защита трубопроводов малых и средних диаметров с температурой эксплуатации до плюс 60−80оС.

Таблица 2.2 — Физические свойства эпоксидных лакокрасочных материалов

Для нанесения на трубы эпоксидных покрытий используются порошковые краски, содержащие в своем составе эпоксидные смолы, отвердитель, активатор, пигмент, инертные наполнители и другие добавки. Процесс нанесения эпоксидного покрытия включает: абразивную очистку, технологический нагрев труб до 220−230оС, напыление порошковой краски с помощью пистолетов-распылителей и отверждение нанесенного защитного покрытия.

Основные производители трубных порошковых эпоксидных красок — зарубежные фирмы: «3M», «Jotun Powder Coatings Ltd.», «BASF Coatings», «Akzo Nobel Powder Coatings GmbH», «BS Coatings», «Kawakami Paint Mfg.» и др. В Российской Федерации порошковые эпоксидные краски производятся на предприятиях: ООО НПК «Пигмент», г. Санкт-Петербург, ООО «Ярославский завод порошковых красок» (рисунок 2.5).

В таблице 2.3 приведены рекомендуемые типы эпоксидных покрытий.

Рисунок 2.5 — Трубы с эпоксидным покрытием Таблица 2.3 — Рекомендуемые типы эпоксидных покрытий

Освоение и внедрение технологии заводской двухслойной эпоксидной изоляции труб, представляется одним из наиболее перспективных направлений в области противокоррозионной защиты трубопроводов. Данный тип покрытия может быть использован, в первую очередь, при строительстве морских, шельфовых трубопроводов (в том числе, при производстве теплоизолированных и обетонированных труб), при прокладке трубопроводов на участках проколов под дорогами, при строительстве методом наклонно-направленного бурения. Помимо этого трубы с двухслойным эпоксидным покрытием могут получить самое широкое применение при строительстве промысловых и технологических трубопроводов, а также при прокладке магистральных газонефтепроводов диаметром до 820 мм.

2.1.5 Стеклоэмалевые покрытия

Стеклоэмаль — это полученная плавлением стекловидно застывшая неорганическая масса, состоящая преимущественно из окислов и нанесенная на металл в один или несколько слоев (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Трубы со стеклоэмалевым покрытием Введение в состав эмали различных окислов позволяет изменять свойства эмалевых покрытий в широком диапазоне в соответствии с условиями применения. В основном используются легкоплавкие грунтовочные и покровные эмали для индукционного эмалирования труб, что позволяет снизить расход электроэнергии на индукционное оплавление покрытия (снижение температуры оплавления на 100 °C уменьшает расход электроэнергии в среднем на 20−25%). Достаточно широко применяются покрытия из эмали этиноль. Основой этой эмали служит лак этиноль — готовый к употреблению продукт, имеющий следующую характеристику: содержание сухого вещества (лаковой основы) — 43%; вязкость по вискозиметру ВЗ-4 — не менее 13 с; массовая доля стабилизатора — 1,5- 2,5%; продолжительность высыхания пленки лака при 20 °C — не более 12 ч. В качестве наполнителя применяют асбест хризотиловый 7-го сорта, содержание свободной влаги в котором не должно превышать 3%. Если влажность асбеста больше 3%, то его сушат (при температуре не выше 110°С). Эмаль этиноль (64% - лак этиноль и 36% - асбест) готовят перемешиванием компонентов в диспергаторе при температуре не выше 40С. 32]

Технологический процесс нанесения эмали на стальные трубы с использованием индукционного нагрева состоит из подготовки поверхности металла для эмалирования, нанесения эмалевого шликера на защищаемую поверхность, индукционной сушки шликера и непосредственного оплавления эмалевого покрытия (таблица 2.4).

Таблица 2.4 — Физико-механические свойства стеклоэмалевых покрытий

Этинолевую эмаль наносят также на очищенную дробеили пескоструйной обработкой до матово-серого цвета поверхность металла с помощью пистолетов-распылителей. Объекты (трубы, емкости и др.) с нанесенным защитным покрытием из эмали этиноль сушатся не менее 5 сут. Общий срок хранения не должен превышать двух месяцев.

Эмалевое покрытие обладает большой сплошностью, хорошим сцеплением с металлом и высоким электросопротивлением, но оно достаточно дорого, поэтому его рекомендуется применять только в особо ответственных случаях, например при перекачке агрессивных сред или прокладке трубопроводов в таких средах.

Стеклоэмалевые покрытия заводского нанесения применяют для защиты трубопроводов от подземной и атмосферной коррозии. 32]

Стеклоэмалевые покрытия труб толщиной не менее 350 мкм относятся к усиленному типу защитного покрытия и должны иметь переходное электросопротивление не менее 500 Ом· м.

2.2 Внутренние покрытия трубопроводов

Внутреннее покрытие труб должно обладать высокими защитными свойствами, обеспечивающими сохранность ее на период транспортировки, хранения и монтажа, а также иметь высокую долговечность в процессе эксплуатации.

При внутренней изоляции труб в стационарных заводских или базовых условиях имеется возможность использования современных технологий и оборудования для очистки, нагрева и изоляции труб, проведения последовательного пооперационного технологического контроля и контроля качества готовой продукции, что обеспечивает высококачественное нанесение на трубы различных антикоррозионных покрытий.

Технологический процесс внутренней изоляции труб — это комплекс последовательных законченных операций, включающий: предварительный нагрев, сушку труб (при необходимости термо-обезжиривание); очистку внутренней поверхности с созданием необходимого рельефа; технологический нагрев труб до заданной температуры (при необходимости); нанесение защитного покрытия (необходимого по технологии количества слоев) и их отверждение; контроль качества защитного покрытия; ремонт мест повреждений покрытия.

Обязательное и качественное выполнение каждой операции гарантирует высокое качество внутреннего покрытия труб с наилучшими для конкретного материала свойствами.

Внутренние полимерные покрытия трубопроводов по назначению можно разделить на антикоррозионные и гладкостные.

Антикоррозионные покрытия применяются для внутренней изоляции труб, транспортирующих коррозионно-агрессивные среды. В нефтегазовой промышленности к таким средам относятся водонефтегазовые эмульсии, пластовая вода, оборотная вода системы поддержания пластового давления. При движении коррозионно-агрессивных жидкостей возникает общая и локальная коррозия. Скорость общей коррозии составляет порядка 0,01−0,4 мм/год, скорость локальной коррозии может достигать 1,5−6 мм/год. Коррозионная агрессивность значительно повышается с появлением в продукции скважин сероводорода, как продукта жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Коррозионные разрушения стальных трубопроводов приводят к большим материальным потерям и ухудшению экологической обстановки в районах нефтедобычи вследствие порывов труб.

Применение внутренних покрытий труб дает ряд преимуществ: увеличение срока службы трубопроводов; увеличение пропускной способности трубопроводов; снижение парафинообразований на стенках трубопроводов и облегчение процесса очистки (расходы на очистку уменьшаются примерно на 75%); повышение надежности трубопроводов и снижение ежегодных эксплуатационных расходов.

Считается, что увеличение срока службы трубопровода на 1% окупает затраты на нанесение внутреннего покрытия труб.

Для создания долговечной внутренней изоляции труб большое значение имеет правильный подбор изоляционного материала и соблюдение технологического процесса нанесения внутреннего покрытия труб.

Существующие технологические процессы внутренней изоляции труб предусматривают применение в качестве изоляционных материалов порошковых полимеров и лакокрасочных материалов, как жидких с содержанием растворителей более 30%, так и высоковязких с содержанием растворителей ниже 30% (ЛКМ с высоким сухим остатком) и материалов, не содержащих растворители.

Применение порошковых полимеров и лакокрасочных материалов с высоким сухим остатком позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда, получать практически беспористые покрытия с более высокими защитными и физико-механическими свойствами, сократить производственный цикл окраски за счет возможности нанесения однослойного покрытия для получения требуемой толщины, сократить невозвратимые потери материала при нанесении по сравнению с лакокрасочными материалами, содержащими растворитель. Отсутствие выбросов паров растворителя делает производство экологически более чистым. При сравнении покрытий на основе порошковых полимеров и лакокрасочных материалов с высоким сухим остатком предпочтение отдается последним, т.к. технологический процесс нанесения покрытия из порошковых полимеров является более энергоемким и взрывоопасным.

Критериями выбора покрытий для внутренней изоляции труб являются условия эксплуатации трубопровода, защитные и технологические свойства покрытий. По всем параметрам наиболее подходящими для внутренней изоляции труб являются лакокрасочные материалы на основе эпоксидных, модифицированных эпоксидных и фенолформальдегидных смол. Из порошковых полимеров широко применяются покрытия на основе эпоксидных порошковых материалов, нанесенных по фенольному праймеру. Толщина антикоррозионных покрытий, как правило, составляет 300−500 мкм.

Гладкостные покрытия применяют, как правило, на магистральных нефтеи газопроводах при транспортировке неагрессивных продуктов. Использование гладкостных покрытий имеет ряд преимуществ: более быстрый и легкий ввод в действие трубопроводов (труба с покрытием во время хранения и монтажа не подвергается коррозии; ускоряется процесс сушки трубопровода после гидравлических испытаний); ликвидируется дорогостоящий и длительный процесс очистки трубопровода от грязи и ржавчины перед вводом в эксплуатацию; экономия энергозатрат на перекачку и сжатие в процессе эксплуатации трубопровода; обеспечение чистоты транспортируемого продукта; значительное снижение ежегодных эксплуатационных расходов на запорную арматуру (клапаны много чаще выходят из строя, требуют ремонта и замены при транспортировке газа, загрязненного продуктами коррозии); улучшенный режим движения газа. Турбулентность потока значительно снижается при наличии внутреннего покрытия труб, что ведет к снижению критических состояний, определяемых режимом движения газа; значительное снижение капитальных затрат за счет возможности уменьшения диаметра трубопровода, обусловленной повышением его пропускной способности.

Для придания гладкости внутренней поверхности трубопровода при транспортировке некоррозионноактивных продуктов достаточно нанести тонкопленочное покрытие с толщиной сухой пленки 50−75 мкм. Нанесение обычно производится методами распыления по предварительно очищенной поверхности.

Одним из ключевых факторов, определяющих эффективность применения гладкостных покрытий, является шероховатость поверхности, которая непосредственно связана с фактором трансмиссии.

Таблица 2.5 — Шероховатость поверхности труб с покрытием (толщиной 45 мкм) и без покрытия в зависимости от времени эпспонирования на открытом воздухе

В таблице 2.6 показана зависимость транспортировочного КПД газопроводов от шероховатости поверхности труб.

Таблица 2.6 — Зависимость КПД газопроводов от шероховатости поверхности

Основные требования к тонкопленочному внутреннему покрытию касаются в основном таких параметров, как эластичность, ударная прочность и адгезия. Покрытие должно быть стойким к влажности, распылению соли, кислотному конденсату. Обязательным требованием является стойкость к блистерингу, т. е. покрытие не должно пузыриться при быстром сбросе давления.

В качестве гладкостных покрытий могут использоваться покрытия на основе жидких эпоксидных лакокрасочных материалов, содержащих растворитель.

На сегодняшний день существует два направления в области заводской внутренней изоляции труб:

1) нанесение внутренних «гладкостных» антифрикционных покрытий;

2) нанесение внутренних антикоррозионных покрытий.

Основное назначение внутренних антифрикционных покрытий — снижение шероховатости внутренней поверхности труб и увеличение пропускной способности трубопроводов В соответствие с требованиями СТО Газпром 2−2.2−180−2007 толщина внутренних антифрикционных покрытий должна составлять от 60 до 150 мкм, а шероховатость — не более 13−15 мкм. Длина концевых неизолированных концевых участков труб должна составлять (40±10) мм. Внутреннее «гладкостное» покрытие должно обладать эластичностью, высокой адгезией к стали, быть устойчивым к длительному воздействию воды, растворителя, солевого тумана, к изменению давления газа (покрытие не должно пузыриться при быстром сбросе давления).

Основные производители и поставщики изоляционных материалов для «гладкостных» покрытий — фирмы «E.Wood» («3М»), «Sika Deutschland Gmbh» (ООО «Амвит»), «Hempel», «Tuboscope Vetco».

Следует отметить, что достаточно тонкое внутреннее «гладкостное» покрытие не может обеспечить эффективную и долговременную противокоррозионную защиту внутренней поверхности трубопроводов, транспортирующих коррозионно-активные среды. Если говорить о внутренних антикоррозионных покрытиях, то эта тема наиболее актуальна для промысловых трубопроводов. Большая обводненность современных нефтепромыслов, наличие в транспортируемых продуктах коррозионно-активной воды, солей, углекислого газа, сероводорода, повышенная температура эксплуатации способствуют интенсивной коррозии внутренней поверхности труб. При этом скорость общей коррозии может достигать 0,01−0,4 мм/год, а локальная скорость коррозии — до 1,5−6 мм/год. Реальный срок службы стальных промысловых трубопроводов, не имеющих внутреннего защитного покрытия, может составить 1−3 года, а на некоторых промыслах сквозная коррозия трубопроводов может наступать уже после нескольких месяцев ввода их в эксплуатацию. В то же время при использовании достаточно эффективных внутренних антикоррозионных покрытий срок службы промысловых трубопроводов может повыситься в 8−10 раз.

В качестве исходных изоляционных материалов для нанесения эпоксидных покрытий толщиной от 400 до 700 мкм используются либо двухкомпонентные (смола, отвердитель) жидкие краски, либо порошковые краски. Технология нанесения на трубы и соединительные детали трубопроводов внедрена на предприятиях ООО «Трубопласт», г. Екатеринбург, на Нефтекамском заводе нефтепромыслового оборудования ОАО Башнефть (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 — Заводское нанесение внутреннего покрытия трубопровода Технология нанесения внутренних защитных покрытий на основе жидких эпоксидных красок (с содержанием растворителей ниже 30%) представляется более простой. Покрытие наносится на подготовленную внутреннюю поверхность труб в один проход методом распыления рабочей смеси изоляционных материалов. Полимеризация покрытия такого типа осуществляется при температурах 50−70оС, тогда как для отверждения порошковых эпоксидных красок необходим нагрев труб до 200−210оС. Кроме того, перед нанесением порошковых эпоксидных покрытий, как правило, требуется наносить слой жидкого фенольного праймера, повышающего стойкость покрытия к агрессивным средам (сероводороду). После нанесения праймера проводится дополнительная операция — сушка. В то же время технологический процесс нанесения порошкового покрытия является более производительным и менее вредным для экологии. К преимуществам порошковой технологии следует отнести и возможность нанесения защитного покрытия на трубы самых малых диаметров (сортамент НКТ), тогда как минимальный диаметр труб с внутренним покрытием на основе жидких красок обычно составляет 114 мм. 4]