CC BY
163
УДК 620.193:622.692.23
О. В. Тамбова 1, В. В. Кравцов 1, Н. М. Фатхиев 2, М. Г. Каравайченко 2
Анализ причин коррозии резервуарных конструкций из алюминиевых сплавов при контакте с водными средами
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 242-08-36 2ЗАО «Нефтемонтаждиагностика» 450049, г. Уфа, ул. Уфимское шоссе, 13а; тел. (347)235-51-44; факс (347) 235-53-49
Выявлены особенности коррозионного поведения алюминиевых сплавов при контакте с водными электролитами. Полученные результаты указывают на возможность возникновения пит-тинговой коррозии алюминиевых поплавков понтонов в условиях гидравлических испытаний резервуаров. Приведены рекомендации по предотвращению коррозии алюминиевых сплавов в водных средах.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, резервуар, понтон, гидравлические испытания, коррозия, питтинг, коррозионная язва, контактная коррозия.
С целью повышения ресурса стальных резервуаров все большее применение находят понтоны и плавающие крыши из алюминиевых сплавов, так как они обладают высокой коррозионной стойкостью во многих средах, встречающихся в нефтяной и газовой промышленности.
В то же время, на практике встречаются отдельные случаи возникновения коррозии, причины которой не всегда учитываются при проектировании, строительстве и эксплуатации резервуарных конструкций из алюминиевых сплавов. В частности, в 2001 г. была выявлена язвенная и питтинговая коррозия алюминиевых поплавков понтона при гидравлических испытаниях волжской водой резервуара РВС-20000 на Староликеевской нефтеперекачивающей станции (НПС).
Поверхность алюминиевых поплавков понтонов ниже ватерлинии при испытании подвержена коррозионному воздействию воды. В различных регионах и на разных предприятиях для заполнения резервуаров могут быть использованы воды различных источников, отличающиеся друг от друга своими коррозионными характеристиками.
Целью испытаний явилось определение склонности алюминиевых сплавов к коррозии при действии речной и резервуарной подтоварной воды.
В качестве объектов исследования использовались пластинки из алюминиевого сплава АМг-3 размерами 30 х 120 х 2 мм и пластинки из стали 10 размерами 60 х 90 х 3 мм.
В качестве коррозионных сред были взяты волжская речная вода (из системы пожаротушения Староликеевской НПС) и вода питьевая г. Уфы.
Состав пробы волжской речной воды: сульфаты — 68.75 мг/л, хлориды — 12.38 мг/л, кальций — 1.04 мг/л, медь — 0.0075 мг/л, железо — 0.21 мг/л, цинк — 0.26 мг/л, марганец — 0.020 мг/л. Анализ выполнен методом атомно-адсорбционной спектроскопии.
Состав пробы воды питьевой г. Уфы: сульфаты — 420 мг/л, хлориды — 300 мг/л, медь — 1.2 мг/л, железо — 0.24 мг/л, цинк — 4.31 мг/л, свинец — 0.05 мг/л, мышьяк — 0.02 мг/л, фтор — 0.62 мг/л.
Образцы из алюминиевого сплава и стали в отдельных сосудах, а также в паре (при исключении прямого электрического контакта между собой) помещали в стеклянные сосуды и выдерживали при комнатной температуре. Объем электролита в каждом сосуде составлял 400 мл. Периодически визуальным методом контролировали состояние поверхности образцов на наличие очагов коррозии.
На 3—4й день испытаний вода за счет коррозии стали приобретала красно-коричневый оттенок, а на поверхности алюминиевых образцов осаждался налет железной ржавчины. Эти процессы постепенно усиливались, вода насыщалась ионами железа, и через 10—12 суток на дно сосудов начинал выпадать ржавый осадок. Налет ржавчины на поверхности алюминиевых образцов легко снимался при помощи кисточки. После удаления ржавчины поверхность осматривали с помощью микроскопа МБС-10 с измерительной шкалой, оценивали вид, размер и количество очагов коррозии. Результаты испытаний сведены в табл. 1.
Дата поступления 29.01.07 98 Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. Жо3
Результаты испытаний образцов в речной воде
Наименование электролита Соотношение площадей А1 : Fe, см2/см2 Продолжительность экспозиции, сут. Внешний вид поверхности образцов после экспозиции Характеристика электролита после экспозиции
Алюминий Сталь Цвет Содержание Fe, мг/л рн
Вода волжская 24 : 0 70 Чистая Чистая Прозрачный Отс. 7.4
0 : 36 Чистая Ржавчина, язвы Красно-коричневый 1421 7.4
24 : 36 Покрыт налетом ржавчины железа, 1 очаг питтинга Ржавчина, язвы Красно-коричневый 1212 5.1
Вода питьевая (Уфа) 24 : 0 40 Чистая, 2 очага питтинга Чистая Прозрачный Отс. 7.2
0 : 36 Чистая, 2 очага питтинга Ржавчина, язвы Красно-коричневый 600 4.4
24 : 36 Покрыт налетом ржавчины железа, 2 очага питтинга Ржавчина, язвы Красно-коричневый 538 5.2
Примечание: Определение содержания металлов в воде выполнено методом атомно-адсорбционной спектроскопии, в продуктах коррозии — методом атомно-эмиссионной спектроскопии
Проведенные испытания показали, что контакт образцов из сплава АМг-3 с водой из исследованных источников в течение 1—2 мес. не вызывает заметной его общей коррозии. В то же время зафиксировано возникновение локальной (точечной) коррозии алюминия в условиях электролитического контакта со стальными образцами. Очаги питтингов на образцах были обнаружены в волжской воде лишь к концу испытаний (по истечении двух месяцев). Зарождение питтинга на алюминиевом образце было выявлено также в водопроводной воде (уфимской) всего через 1 мес. испытаний. Это, по всей вероятности, связано с наличием в водном электролите де-пассиватора (хлор-иона).
Дополнительно были проведены исследования в подтоварной воде действующих резервуаров РВС-2000 установки предварительного сброса воды УПСВ-61 и РВС-5000 Якеевского товарного парка (ОАО «Татнефть»).
Состав пробы подтоварной воды Якеев-ского товарного парка: рН — 6.55, плотность — 1.087 г/см3, 8042- - 0.03 г/л, С1- - 90.75 г/л, общая минерализация — 148.8 г/л, 02 — 0.06 мг/л, С02 —127.6 мг/л, Н2Б — 3 мг/л, Fe общ. — 0.5 мг/л.
Состав пробы подтоварной воды установки предварительного сброса воды УПСВ-61: рН — 5.79, плотность 1.109 г/см3, Б042— — 0.4 г/л, С1— — 131.87 г/л, общая минерализация — 217.03 г/л, 02 — 0.07 мг/л, С02 — 176 мг/л, Н2Б — 2.3 мг/л, Fe общ. — 0.6 мг/л.
Образцы устанавливали через люки на крышах резервуаров путем подвешивания
при помощи капронового шнура. Они изготавливались из серийного проката и представляли собой:
— плоские пластины из сплава АМг-3 (ГОСТ 4784-97) с размерами 150 х 50 х 1.5 мм;
— плоские пластины из сплава АМг-3 (ГОСТ 4784-97) с размерами 150 х 50 х 1.5 мм, имеющие поперечный сварной шов, полученный аргоно-дуговой сваркой;
— отрезки швеллера (профиль 2808) из сплава АД-31 (ГОСТ 4784-97) длиной 150 мм.
Крепежные элементы (болты, шайбы, гайки) использовались из следующих материалов:
— нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72);
— оцинкованная сталь с цинковым покрытием Ц6ХР (ГОСТ 9.301-86) — болты, гайки и шайбы из Ц12ХР (ГОСТ 9.301-86);
Виды образцов для испытаний представлены в табл. 2.
Продолжительность экспозиции образцов в резервуарах составила 135 суток.
Оценка коррозионной стойкости образцов после экспозиции в рабочих средах осуществлялась в соответствии с ГОСТ 9.905-82 и ГОСТ 9.908-85.
По окончании экспозиции образцов в рабочих средах, извлечении их из резервуара и промывки в бензине — растворителе проводили визуальные, гравиметрические и микроскопические исследования для выявления общей и локальной коррозии. Полученные данные сведены в табл. 3.
Виды образцов при испытании в резервуарах ОАО «Татнефть»
Резервуар № образца Характеристика образца Материал крепежных деталей
Вид образца Материал Верхнее отверстие в образце Нижнее отверстие в образце
РВС-2000 1 Плоский цельный АМг-3 Оцинк. сталь Нержав. сталь
2 Плоский со сварным швом АМг-3 Нержав. сталь -
3 Профиль со сварным швом АД-31 Нержав. сталь -
РВС-5000 4 Плоский цельный АМг-3 Оцинк. сталь Нержав. сталь
5 Плоский со сварным швом АМг-3 Нержав. сталь -
6 Плоский со сварным швом АД-31 Нержав. сталь -
Таблица 3
Средняя скорость и характер коррозии образцов из алюминиевых сплавов в подтоварной воде
№ образцов Средняя скорость коррозии (по данным гравиметрических измерений), г/(м2 • ч) Выявление очагов локальной коррозии
1 0.00042 Обнаружены питтинги глубиной 0.4 мм на участках поверхности образцов, прилегающих к оцинкованным шайбам
2 0.00046 Обнаружены питтинги глубиной 0.5 мм на участках поверхности образцов, прилегающих к нержавеющим шайбам
3 0.00035 Обнаружены питтинги глубиной 0.35 мм на участках поверхности образцов, прилегающих к сварному шву
4 0.00034 Обнаружены питтинги на участках поверхности образцов, прилегающих к оцинкованным шайбам
5 0.00039 Обнаружены питтинги на участках поверхности образцов, прилегающих к нержавеющим шайбам
6 0.00031 Очагов локальной коррозии не выявлено
Результаты подтвердили подверженность алюминиевых сплавов АМг-3 питтинговой коррозии. Преимущественно она наблюдается в местах контакта с крепежными деталями из нержавеющей стали, оцинкованной стали и сварными соединениями. Наиболее ярко выраженные очаги коррозии алюминиевых образцов приведены на рис. 1.
По результатам визуального изучения образцов можно сделать заключение, что пластинки из сплава АМг-3 в условиях электролитического контакта с крепежными элементами из стали 12Х18Н10Т и сталью с цинковым покрытием Ц6ХР подвержены локальным видам коррозии, особенно в зоне сварных соединений. При этом структурных изменений по сечению образцов не обнаружено.
На основании анализа лабораторных и производственных испытаний предложен вероятный механизм коррозии алюминиевых поплавков понтонов при гидравлических испытаниях водой, в соответствии с которым он может быть представлен в виде следующих стадий:
— коррозия стальных поверхностей резервуара с переходом ионов железа в водный
электролит и осаждения соединений железа на поверхностях алюминиевых поплавков, находящихся в воде;
— постепенное накопление соединений железа на смоченных водой алюминиевых конструкциях и выделение из насыщенного раствора соединений железа в осадок на дно резервуара;
— после завершения гидравлических испытаний и опорожнения резервуара на его днище в течение некоторого времени находятся остаточные количества воды, которая обусловливает повышенную влажность в пространстве под понтоном и конденсацию воды на внутренних поверхностях понтона. Поскольку работы проводятся в летнее время года, температура металлических конструкций внутри резервуара днем может достигать 50 оС. Это создает благоприятные условия (особенно при наличии на поверхностях налета соединений железа, нарушающих пассивную пленку на алюминии) для зарождения локальных очагов коррозии (питтингов, язв) и их развитию вглубь материала.
Авторами предложены рекомендации по предупреждению коррозии алюминиевых
в)
Рис. 1. Коррозия образцов из алюминиевого сплава АМг-3 после экспозиции в подтоварной воде резервуара: а — внешний вид поверхности образцов с продуктами коррозии; б — вид поперечного среза сварного шва и околошовной зоны образцов после удаления продуктов коррозии; в — микроструктура поперечного сечения образцов металла в устье растущего питтинга
конструкций при гидравлических испытаниях водой, которые заключаются в следующем:
— вода для гидравлических испытаний алюминиевых понтонов может подаваться в стальной резервуар из любых источников с рН = 4.5—8 при соблюдении следующих показателей по составу: Си2+ не более 0.1 мг/л, Fe2+ + Fe3+ + №2+ не более 0.05 мг/л, С1-не более 350 мг/л, не допускается;
— продолжительность гидравлических испытаний понтона не должна превышать 10 суток с момента начала заполнения резервуара водой и до полного слива воды из резервуара;
— в сроки, не превышающие 5 суток после гидравлических испытаний водой и опорожнения резервуара, следует насухо протереть поверхности поплавков от налета ржавчины или смыть ее струей чистой воды с последующим просушиванием, обратив при этом внимание на необходимость полного удаления остатков воды с днища резервуара и вентиляции пространства под понтоном для устранения повышенной влажности;
— при отсутствии возможности выполнения требований к составу воды или продолжительности гидравлических испытаний предусмотреть нанесение лакокрасочного покрытия на поверхность алюминиевых конструкций ниже ватерлинии, или на водную поверхность залить легкое масло (дизельное топливо);
— предусмотреть меры по предотвращению контактной коррозии алюминиевых
конструкций с крепежными деталями. Болты нормальной прочности, гайки, шайбы изготавливать из хромоникелевой стали ГОСТ 5632-72, при сборке использовать прокладки из диэлектрического материала под головку и шайбу. Высокопрочные болты изготавливать из стали 40Х (ГОСТ 4543-71), гайки — из стали марок 35, 40 (ГОСТ 1050-74), 35Х, 40Х, (ГОСТ 4543-71), шайбы — из стали 35 (ГОСТ 1050-74) (высокопрочные болты и гайки подлежат термодиффузионному цинкованию толщиной 12 мкм по ГОСТ 51163-98 с последующей дополнительной антикоррозионной защитой, термодиффузионное цинкование шайб осуществляется слоем толщиной не менее 30 мкм). Болты самонарезающие изготавливать из стали 20Г2Р с покрытием Ц6ХР по ГОСТ 9.301-86. Болты должны поставляться комплектно с шайбами по ГОСТ 1137-78 (металлическая шайба должна иметь цинковое покрытие Ц12ХР).
Учет предложенных рекомендаций при строительстве резервуаров на предприятиях дает возможность предотвратить или ослабить интенсивность локальных видов коррозионного разрушения алюминиевых сплавов.
Литература
1. ГОСТ 9.905-82 Метод коррозионных испытаний. Общие требования.
2. ГОСТ 9.908-85 Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.
