CC BY
151
УДК 504.064:001
Л. В. НОВГОРОДЦЕВА щ Ю. В. ГАВРИЛОВА И
Омский государственный технический университет
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИНГИБИТОРНОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА В СИСТЕМЕ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ В НДГУ «ЛЕНИНОГОРСКНЕФТЬ»
Авторами теоретически обоснован и на практическом материале доказан ущерб, наносимый окружающей природной среде при эксплуатации нефтяных месторождений. Наибольшее внимание уделено обоснованию и выбору защиты трубопроводов от коррозии металлов. Данные исследований могут применяться для современных и эффективных комплексных методов защиты трубопроводов от коррозии в системе поддержания пластового давления при добыче нефти на Крапивинском месторождении Омской области.
Ключевые слова: окружающая среда, коррозия трубопровода, ингибиторная защита.
Актуальной проблемой для системы поддержания пластового давления, является снижение коррозии оборудования, что, в свою очередь, приводит к уменьшению порывов или полное их исключение, тем самым приводя к меньшим воздействиям на окружающую природную среду и здоровье человека [1].
Цель исследования. Рассчитать и подобрать наиболее эффективный метод для защиты трубопровода в системе поддержания пластового давления НГДУ «Лениногорскнефть».
Научная новизна работы. Впервые использована комплексная обработка современными и эффективными методами защиты трубопровода от коррозии в системе поддержания пластового давления. Проведен контроль эффективности ингибиторной защиты водоводов в системе поддержания пластового давления.
Практическое значение. Полученные результаты могут применяться для комплексной защиты трубопроводов от коррозии в системе поддержания пластового давления при добыче нефти не только на исследуемом НГДУ «Лениногорскнефть», но и на вновь формируемом Крапивинском месторождении Омской области.
Материал и методы исследования. В экспериментальной части по стандартным методикам, определены: физико-химические свойства нефти, газа и пластовой воды. Гравиметрическим методом произведен расчет коррозии, а также сделан расчет протекторной защиты водоводов, поведен контроль по эффективности ингибиторной защиты трубопроводов. Особое внимание уделено выбору защиты от коррозии и мероприятиям по охране недр и окружающей среды проводимые в НГДУ «Лениногор-скнефть». Для выбора наиболее эффективной защиты учитывались особенности геологического строения основного эксплуатационного объекта, метеорологические параметры, коллекторские свойства пластов, а также физико-химические свойства нефти, газа и пластовой воды.
Особенно важно то, что представлены результаты методов защиты борьбы с коррозией. Кроме того, выполнен экономический расчет затрат на защиту трубопроводов, физико-географические, климатические условия, технико-экономические показатели объекта. Более того, проводился расчет по распространению результатов на вновь формируемом Крапивинском месторождении Омской области.
Физико-химические свойства нефти, газа, пластовой воды. Изучение физико-химических свойств пластовых и дегазированных нефтей и попутных газов проводилось в институте «ТатНИПИнефть» и в лабораториях НГДУ «Лениногорскнефть». Нефть продуктивного горизонта относится к группе малосернистых. Результаты исследований и компонентный состав газа при дифференциальном разгазиро-вании приведены ниже [2].
Свойства пластовой нефти: давление насыщения газом 4,8 — 9,3 МПа; газосодержащие 52,2 — 66,2%; суммарный газовый фактор 50,0; плотность 768,0 — 818,0 кг/м3; вязкость 4—10,4 мПа*с2 объемный коэффициент при дифференциальном разга-зировании 1,128— 1,196; плотность дегазированной нефти 795,0 — 879,0 кг/ м3.
Компонентный состав газа (%) при плотности газа 1,2398 кг/м3: гелий 10,36; метан 39,64; этан 22,28; пропан 18,93; изобутан 1,74; н-бутан 4,36; изопентан 0,67; н-пентан 0,65; гексан 0,46; сероводород 0,02; углекислый газ, 0,89.
Пластовые воды по своему химическому составу рассолы хлор-кальциевого типа с общей минерализацией 252 — 280 г/л, в среднем 270 г/л в ионно-солевом составе преобладают хлориды (в среднем 168 г/л) и натрий (70,8 г/л). Плотность воды в среднем 1,186 г/см3, вязкость 1,9 мПа-с. В естественных, не нарушенных закачкой воды условиях в подземных водах сероводород отсутствует. В составе растворенного в воде газа преобладает метан.
Причины повреждения трубопроводов. Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение ме-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
Ингибитор коррозии служит защитным барьером Без ингибиторной С ингибиторной
защиты защитой
Рис. 1. Внутренняя коррозия трубопровода
таллов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.
Коррозионный процесс — гетерогенный, протекает на границе раздела металл — агрессивная среда. При этом процессе атомы металла окисляются, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с её компонентами и образуют продукты коррозии. В большинстве случаев коррозия металлов происходит неравномерно по поверхности. При коррозии металла происходит не только потеря его массы, но и снижение механической прочности, пластичности и других свойств [2].
Основной причиной локального разрушения внешней поверхности трубопроводов является процесс электрохимической коррозии в грунтовом электролите. Степень коррозионного воздействия этого электролита на металл зависит от его состава: минерализация, pH, содержание сероводорода, СО2 или кислорода, жизнедеятельности бактерий и температуры.
Внешняя коррозия (подземная) — коррозия трубопроводов, вызываемая в основном действием раствором солей содержащихся в почвах и грунтах.
Коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена структурой и влажностью почвы, содержанием кислорода и др. химических соединений, электропроводностью, наличием микроорганизмов (аэробных и анаэробных бактерий), приводящих к локализации коррозионных поражений.
Внутренняя же коррозия обусловлена контактом трубопровода с жидкостью, протекающей в нем (рис. 1). Пластовые воды содержат хлориды натрия, магния и кальция, а в некоторых случаях сульфиды, бромиды, йодиды и бораты. Наряду с О2 и СО2 в воде могут быть растворены элементарная сера, Н^З, меркаптаны и другие сероорганические соединения. Элементарная сера по отношению к черным металлам практически неагрессивна при температуре ниже 120°С и содержании до 3%. Меркаптаны же образуют Н^ лишь при нагревании.
Из всех сернистых соединений по отношению к сталям наиболее агрессивен сероводород. Агрессивность остальных сернистых соединений обусловлена, главным образом, их способностью образовать Н2 в результате распада. На процесс сероводородной коррозии железа и стали в водных электролитах стимулирующее действие оказывают не только Н2, но и продукты коррозии — сульфиды железа (FeS).
Сульфид железа по отношению к железу и стали является эффективным катодом.
Другим источником сероводорода в пластовых водах может быть функционирование микрофлоры (сульфатвосстанавливающие бактерии).
Агрессивность пластовых вод увеличивается при наличии СО2. Это связано с понижением рН пластовой воды при растворении в ней углекислого газа.
Особо значительные разрушения возникают при содержании в пластовых водах обоих агрессивных газов Н^ и СО2. В связи с этим отмечается повышение агрессивности рабочих сред в результате разбавления высокоминерализованных пластовых вод: сказывается повышение растворимости Н^ и СО2 с уменьшением концентрации солей.
Присутствие в пластовых водах кислорода (растворимость которого уменьшается с ростом минерализации вод) облегчает деполяризацию коррозионного процесса.
В отсутствии Н^ и СО2 после обескислороживания пластовая вода практически перестает быть агрессивной.
В присутствии Н^ кислород расходуется на его окисление с образованием взвешенной нейтральной серы.
В присутствии СО2 (без Н^) кислород аддитивно усиливает коррозионную агрессивность рабочих сред трубопроводов [3].
Физико-химические факторы, влияющие на скорость коррозии. К внешним факторам электрохимической коррозии относят температуру, скорость движения агрессивной среды, давление, поляризацию внешним током и др. Температура существенно влияет на скорость электрохимической коррозии металлов. Как правило, с повышением температуры она растёт. В открытых аэрируемых системах скорость коррозии железа с ростом температуры в пределах от 20 до 80°С возрастает и далее уменьшается вследствие резкого снижения концентрации кислорода. В минерализованных средах скорость коррозии растёт с увеличением скорости движения среды вследствие усиления подачи кислорода металлической поверхности. В пресной воде при скорости движения среды до 0,4 м/с скорость коррозии стали заметно возрастает вследствие облегчения диффузии кислорода к металлической поверхности. С ростом скорости движения насыщенной кислородом среды до 0,8 — 0,9 м/с скорость
Рис. 2. Зависимость интенсивности коррозии от рН и температуры воды
Рис. 3. Зависимость скорости коррозии от минерализации воды
коррозии снижается в результате образовании пассивной плёнки на металле при достаточно обильном поступлении кислорода. При дальнейшем увеличении скорости движения среды происходит разрушение защитной плёнки и самого металла в результате коррозионно-эрозионных процессов. Скорость коррозии при этом возрастает.
Давление в значительной степени ускоряет электрохимическую коррозию металлов из-за повышения растворимости деполяризаторов коррозионного процесса и появления механических напряжений в металле.
Поляризация коррозирующего металла внешним постоянным током влияет на коррозионное разрушение металлов следующим образом: при анодной поляризации металла (подключение его к положительному полюсу внешнего источника тока) скорость коррозии увеличивается, при катодной поляризации в большинстве случаев наблюдается защитный эффект, т.е. скорость коррозии металла уменьшается [3].
Скорость коррозии зависит от рН среды, возрастая по мере подкисления среды, если не происходит пассивирования металла. В нейтральных средах скорость коррозии железа слабо зависит от изменения величины рН.
При возрастании рН скорость коррозии железа и стали уменьшается. Уменьшение скорости коррозии при возрастании pH (рис. 2).
Повышение температуры ускоряет анодные и катодные процессы, так как увеличивает скорость движения ионов, а следовательно, и скорость коррозии.
Наличие в среде микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности оказывает существенное влияние на характер коррозионных разрушений металлов. При микробиологической коррозии коррозионные поражения носят локальный характер, скорость коррозии достигает значительных величин.
Зависимость скорости коррозии от минерализации воды (рис. 3). Растворенные в воде соли являются электролитами, поэтому увеличение их концентрации до определенного предела повысит электропроводность среды и, следовательно, ускорит процесс коррозии. Уменьшение скорости коррозии связано с тем, что: уменьшается растворимость газов, СО2 и О2, в воде; возрастает вязкость воды, а
следовательно, затрудняется диффузия, подвод кислорода к поверхности трубы.
Повышение давления увеличивает процесс гидролиза солей и увеличивает растворимость СО2.
Внутренняя электрохимическая коррозия металлов связана природой металла, его составом структурой, состоянием, поверхности, напряжениями в металле и др., а также с термодинамической устойчивостью металла и его местом в периодической системе элементов. Термодинамическая устойчивость выше у металлов с более положительным равновесным потенциалом.
На процесс коррозии металлов оказывают влияние кристаллическая структура металлов и наличие различных структурных дефектов. Установлено, что скорость коррозии увеличивается при низкой плотности упаковки атомов в кристаллографической плоскости, неупорядоченности атомов в кристаллической решётки, дефектах её структуры [2].
Значительное число металлических изделий эксплуатируется в условиях одновременного воздействия коррозионной среды и механических напряжений. Опасность коррозионно-механических воздействий заключается в том, что при незначительной скорости общей коррозии происходит полное разрушение металлического изделия. Под влиянием коррозионной среды и деформации металла возможны образования коррозионно-механических трещин, понижения предела коррозионной усталости, разрушение металла вследствие механического воздействия агрессивной среды, коррозионная кавитация и другие процессы [4].
Изучение зависимости скорости коррозии от минерализации среды позволяет охарактеризовать агрессивность большей части нейтральных водных сред.
Зависимость скорости коррозии железа и углеродистых сталей от концентрации солей в нейтральных растворах имеет вид кривой с максимум вследствие уменьшения растворимости деполяризатора — кислорода при увеличении концентрации активирующих анионов.
Наличие хлор- и сульфат-ионов в среде повышает агрессивность вод по отношению к большинству конструкционных металлов. Влияние концентрации хлор- ионов становится особенно заметным (увеличение скорости коррозии стали в несколько десят-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 ЭКОЛОГИЯ
ЭКОЛОГИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
*
протекторной защиты трубопровода с распределенными протекторами (РП):
1 — трубопровод; 2 — протектор;
3 — изолирующие фланцы;
4 — технологическая установка со сходящимися трубопроводами; 5 — контрольно-измерительная колонка (КИК);
6 — траншея; 7 — незащищенные трубопроводы;
8 — место соединения с незащищенным трубопроводом
Рис. 5. Вариант технологической схемы протекторной защиты трубопровода с групповыми протекторами (ГП):
(а — гираллельное размещение ГП; б — перпендикулярное размещение ГП)
1 — трубопровод; 2 — траншея; 3 — протектор;
4 —дренажный КИК; 5 — дренажный провод;
6 — контрольно-измерительная колонка
ков раз) при увеличении скорости движения среды от 1,2 до 200 м/с.
Новые технологии ингибиторной защиты. Одной из таких технологий является ингибиторная защита футерованных полиэтиленом водоводов сточных вод методом периодического дозирования. Количество порывов водоводов системы ППД в результате этого резко уменьшилось, а объемы применения ингибиторов коррозии оставались практически на одном уровне. В отдельных системах НГДУ пытались уменьшить дозировки ингибиторов, но это привело лишь к снижению их защитной эффективности. Известно, что, независимо от площади защищаемой поверхности, объемная концентрация ингибитора коррозии в агрессивной фазе должна быть не ниже защитной [5].
По данным исследований института и лабораторий коррозии НГДУ, значительная часть ингибиторов коррозии в реальных условиях водоводов адсорбируется на твердых взвешенных частицах. Такие потери приводят к необходимости повышения дозировок ингибиторов выше защитной концентрации. Существовали определенные надежды на то, что поверхность полиэтилена может служить своеобразным аккумулятором, отдающим ингибитор после остановки его подачи. Однако эксперименты показали, что полиэтилен обладает низкой аккумулирующей способностью.
Значительно снизить расход ингибиторов без уменьшения защитной способности позволяет эффект последействия. Этот эффект заключается в том, что после прекращения подачи ингибитора его пленка сохраняется на защищаемой поверхности определенное время. Лабораторные исследования показывают, что водорастворимые ингибиторы обладают незначительным эффектом последействия, поэтому не допускают прекращения подачи. Для периодического дозирования необходимо использовать маслорастворимые вододиспергируемые ингибиторы.
Исследования показали, что в порядке возрастания времени последействия, промышленно применяемые в ОАО «Татнефть» ингибиторы можно расположить в ряд: Рекод-608 — СНПХ-6301—Неф-техим-1-СНПХ-6030 [6].
Эффект последействия и был заложен в основу технологии периодического дозирования ингибиторов коррозии. Технология прошла приемочные испытания в системе ППД Акташских очистных сооружений НГДУ «Заинскнефть».
Подземные трубопроводы, могут быть эффективно защищены по двум схемам протекторной защиты [7]: схема с распределенными протекторами (РП) (рис. 4); схема с групповыми протекторами (ГП) (рис. 5). В современной практике признано наиболее целесообразным комбинировать протекторную защиту с защитными покрытиями.
Качественное улучшение в работе по борьбе с коррозией связано со следующими вопросами: разработка эффективной и гибкой технической политики борьбы с коррозией трубопроводов; научно-методическое обеспечение исследовательских работ; материально-техническое обеспечение планируемых мероприятий.
Заключение. Для борьбы с коррозией трубопроводов в ЦППД НГДУ «Лениногорскнефть» применяются следующие методы: применение труб с защитными покрытиями; протекторная защита; ингибирование. Противокоррозионный эффект комбинированной защиты необычайно высок, т.к. при этом эффективность защиты трубопроводов значительно возрастает, что влечет за собой увеличение срока службы трубопроводов и, соответственно, снижение капитальных вложений, материальных и трудовых затрат на их обслуживание.
Библиографический список
1. Ибрагимов, Н. Г. Осложнения в нефтедобыче / Н. Г. Ибрагимов, А. Р. Хафизов, В. В. Шайдаков. — Уфа : Монография, 2003. - 302 с.
2. Бутусов, О. Б. Компьютерная оценка воздействия на окружающую среду магистральных трубопроводов / О. Б. Бутусов, В. П. Мешалкин. — М. : Инфра-М, 2010. — 449 с.
3. Бариленко, В. И. Анализ себестоимости продукции в объединениях нефтегазового комплекса / В. И. Бариленко. — М. : Финансы и статистика, 2007. — 129 с.
4. Бреннер, М. М. Экономика нефтяной и газовой промышленности / М. М. Бреннер. — М. : Недра, 2002. — 322 с.
5. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды. — М : Природа, 2010. — 610 с.
6. Позднышев, Г. Н. Перспективные способы добычи нефти и ликвидации нефтяных загрязнений / Г. Н. Позднышев, В. Н. Манырин, А. Г. Савельев. — Самара : БАХРАХ, 2004. — 440 с.
7. Родионова, И. Г. Коррозионно-стойкие биметаллы с прочным сцеплением слоев для нефтехимической промышленности и других отраслей / И. Г. Родионова, А. А. Павлов, А. И. Зайцев. — М. : Металлургиздат, 2011. — 292 с .
НОВГОРОДЦЕВА Любовь Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии.
ГАВРИЛОВА Юлия Владимировна, студентка группы ЗОС-616.
Адрес для переписки: e-mail: lybov_v@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.06.2012 г.
© Л. В. Новгородцева, Ю. В. Гаврилова
УДК 504 06:628 3/4. С. Б. ЧАЧИНА
А. Н. ГОСТЕВА
Омский государственный технический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ВЫСШИХ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ
ДЛЯ ДООЧИСТКИ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ
СТОЧНЫХ ВОД ОАО «ОМСКВОДОКАНАЛ»
Изучена аккумуляционная способность высших водных растений — пистии, ряски малой, валлиснерии спиралевидной. Впервые проведена сравнительная характеристика высших водных растений по способности извлекать из сточных вод и аккумулировать фосфаты, соединения азота, СПАВ, сульфаты и нефтепродукты и металлы. Данные исследований могут применяться для создания биологических прудов и использования для доочистки городских и промышленных сточных вод высших водных растений.
Ключевые слова: сточные воды, доочистка сточных вод, высшие водные растения.
При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими и неорганическими веществами, т.е. образуются сточные воды. Промышленные сточные воды, поступающие в замкнутые системы водоснабжения или сбрасываемые в водоемы, должны быть подвергнуты очистке механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами до необходимого качества. Разработка и выбор высокоэффективных методов очистки промышленных стоков является сложной инженерной задачей.
Наиболее эффективным способом очистки городских (смеси хозяйственно-бытовых и промышленных) сточных вод является биологическая очистка. В последние десятилетия отмечается тенденция изменения качественного состава сточных вод за счёт увеличения доли азот- и фосфорсодержащих органических веществ, в связи, с чем биологические очистные сооружения не всегда обеспечивают необходимую степень очистки, в том числе от биогенных веществ (солей азота и фосфора) [1].
Одним из способов доочистки сточных вод от биогенных веществ является использование высшей водной растительности (ВВР) — макрофитов (тростник, камыш, уруть, ряска). Способность ВВР к накоплению, утилизации, трансформации многих
загрязняющих веществ делает их незаменимыми в общем процессе самоочищения водоёмов [1].
Все это определило основную цель исследования: изучить способность высших водных растений аккумулировать нитраты, нитриты, аммиак, фосфаты, соединения азота, СПАВ, ХПК и нефтепродукты, железо, цинк, медь, хром, алюминий из городских сточных вод.
Научная новизна работы. Впервые изучена аккумуляционная способности и проведено сравнение эффективности высших водных растений — пистии, ряски малой, валлиснерии спиралевидной в качестве методов доочистки канализационных сточных вод.
Практическое значение. Выявлен видовой состав высших водных растений, перспективных для доочистки городских сточных вод ОАО «ОмскВодо-канал».
Материал и методы исследования. Объектами исследования являлись высшие водные растения, способные аккумулировать токсичные соединения: валлиснерия спиралевидная — Vallisneria spiralis, пистия, или водяной салат — Pistia stratiotes, ряска малая — Lemna minor.
Валлиснерия спиралевидная (Vallisneria spiralis) —водное растение, приспособленное к жизни в реках и озерах. Это растения с длинным тонким
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 ЭКОЛОГИЯ
